银河系身世之谜：诞生于100亿年前的一次星系大碰撞

这是我们银河系的示意图，以及我们太阳系在其中的位置。一项新的研究表明，我们的星系是100亿年前与一个被称为Gaia-恩克拉多斯( Gaia-Enceladus )的小矮星系合并才后形成的。来源： NASA/Adler/U. Chicago/Wesleyan/JPL-Caltech

大约在100亿年前，银河系遭遇了一次巨大的正面碰撞，碰撞的影响波及至银河系的核心。碰撞前的银河系还是一个比较小的星系，还未拥有它目前的螺旋结构或周围星星的弥散光环。

那时候，我们银河系的引力将一个比其小的星系(大约是它质量的四分之一)拖进了这场碰撞之中：这个较小的矮星系一头扎进银河系的圆盘里，又一头扎出银河系的圆盘，一直挣扎不停，直到最后整个被吞噬。虽然我们的星系幸存了下来，但它已经不再是以前的银河系了。这次碰撞打乱了它星盘内恒星的轨道，使其更加膨胀，并且使得外星恒星在银河系里面到处飞，从而形成了它的大部分光环。撞击还将新的气体输送到银河系中心，将这些新的燃料与银河系现有的储层混合，形成新一代的恒星。

随着时间的推移，矮星系逐渐消失了，但碰撞留下的伤痕却从未在银河系真正消失——这并不是说它们很容易被发现。天文学家们一直认为银河系很可能是由大量合并的矮星系发展而来，直到今天他们依然在努力寻找最大合并的迹象。但现在，发表在《自然》杂志上的一篇新论文提供了证据——或者说类似证据的东西。加州大学欧文分校(University of California, Irvine)的天文学家詹姆斯·布洛克与这项新研究无关，但他说：“这就像发现了一块可以证明银河系是如何开始的化石或者考古证据。”

荷兰Kapteyn天文研究所的天文学家Amina Helmi和她的同事参与撰写了这篇论文，2013年Gaia(Gaia是一艘宇宙飞船，由欧洲航天局在2013年发射，它以前所未有的细节绘制天空)发布了人们期待已久的第二份数据，这篇论文随后面世。Gaia号在其任务中精确地定位了13亿颗银河系恒星的位置、运动、亮度和颜色，以至于天文学家们可以用它的数据在银河系的传记中撰写了新的、异常丰富的篇章。

确实，在今年4月公布了第二组数据后，许多团队瞥见了我们银河系暴力历史的蛛丝马迹，这些痕迹都隐藏在一些看似异常的恒星上。剑桥大学的天文学家Vasily Belokurov带领一个团队发现了大量的恒星偏离了星系旋转的同步轨道，而是违背了所有人的期望，朝着或远离星系中心移动。另一位Kapteyn天文学家Helmer Koppelman主持了一项研究，他发现了有一个“团”的恒星在银河系的光晕中以与其他恒星相反的方向运行。巴黎天文台的天文学家米莎·海伍德在光环内发现了具有非典型丰富化学元素的恒星，并且它们移动相当快速——这些迹象表明它们可能在银河系外形成。“这只是冰山一角，”Helmi说。尽管所有这些研究都将这些奇怪的事情归咎于过去的一次碰撞，但对于碰撞发生的时间、卫星星系的质量以及这次碰撞的对象是一个大的矮星系还是几个小的矮星系这些问题上，他们意见不一。凯瑟琳·约翰斯顿(Kathryn Johnston)是哥伦比亚大学的一位天文学家，她没有参与这项工作，但她说，与这些争论不同，Helmi的研究将多种证据汇集在一起，绘制出了迄今为止最引人注目的假设，这个假设建立在一个单一、大规模的合并上。

Helmi和她的同事分析了银河系晕圈内的5万颗Gaia观察到的恒星，发现其中有3.3万颗恒星的角动量和轨道方向与理论情况相反。“那时候很明显，这非常奇怪，”她说，“星系盘是有序的;比如说你看到1亿颗恒星在围着银河系中心有序地移动，但如果你看到有些恒星以相反的方式运动，那这就表明这些恒星不可能是在银河系中形成的。”为了进一步验证这一假设，研究小组还分析了600颗恒星的化学成分，这600颗恒星此前已经被地面 APOGEE stellar survey调查研究过。在每个星系中，由于恒星的死亡和再生周期，比氢和氦重的元素的数量都会随着时间的推移逐渐增加。但这种增长的模式是每个星系特有的，就像人的指纹。结合对可能合并的模拟，Gaia和APOGEE的数据巩固了这些恒星确实是外来恒星的观点，表明它们确实起源于一个在100亿年前停止形成恒星的大矮星系(当时它正在被银河系吞噬。)

为了纪念太空观测站和希腊神话中的巨人恩克拉多斯，研究小组将这个已故星系命名为“Gaia–Enceladus”。根据神话，恩克拉多斯被埋在埃特纳火山下，并引发了该地区的地震。

如果这项研究是正确的，那么它将首先证实了理论家们长期以来的想法：像银河系这样的星系是通过吞噬许多更小的星系以发展其巨大的规模。“目前还不知道银河系是否经历过合并，”Helmi说，“如果这只是道听途说的话，你永远不知道什么时候你会看到另一个星系的合并。但我们现在已经有了数据，这些数据确实地告诉我们合并已经发生过了，并且它在我们银河系的历史上产生了重大的影响——我认为承认这以个观点是一个非常重要的步骤，我们的星系确实是通过合并其他星系建立起来的。”仅仅这一证实就使许多天文学家非常兴奋。

此外，这项研究也为新的研究途径提供了前所未有的机会。尽管天文学家们已经发现星系在宇宙遥远的地方合并，但如果在银河系内看到碰撞——哪怕只是碰撞的残余——都可以提供一个观察星系碰撞前排位置，这样的观察机会可以为我们提供更多的答案。即使是我们最近的邻居仙女座，对于详细研究星系合并来说也太遥远了。“仙女座在将近300万光年之外，我们永远不会去仙女座那里居住或详细研究它，”不列颠哥伦比亚省维多利亚大学(University of Victoria in British Columbia)的天文学家金·维恩(Kim Venn)说，尽管他没有参与这项研究。“这是我们唯一的机会。”有了这个机会，天文学家们可能会更好地分析在星系合并中起作用的物理作用。以银河系的星盘为例。这个圆盘由两部分组成：一个更薄、密度更大的区域，被一个更厚、更分散的区域所包围——但没有人知道这个更厚的星盘是怎样形成的。尽管Helmi指出了问题中的碰撞将薄圆盘中的一部分加热并膨胀，并将其推向了厚圆盘，但未来对碰撞的模拟将帮助天文学家更好地回答这个问题。

答案只会进一步地揭示这些星系残骸。确实，Helmi希望利用银河系的演化“就像罗塞塔石碑一样”——来更好地理解宇宙中的星系是如何进化的，以及它们如何影响着宇宙。维恩说，这一结果甚至可能帮助天文学家了解仙女座星系在40亿年后直接撞击银河系的情形。