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“大廚”銀河系“在線拉面”

2021-04-08 11:17:47 來源：新華日報(bào)

浩瀚銀河之中，眾多有相似運(yùn)動軌道的恒星組成的河流狀結(jié)構(gòu)被稱為“星流”。星流的形成動輒上億年，人類文明與之相比不過須臾。這些鏈狀星流是如何形成的？怎樣才能復(fù)原星流形成的全部“劇情”？

近日，中國科學(xué)院紫金山天文臺常江博士、中國科學(xué)院上海天文臺袁珍博士和中國科學(xué)院國家天文臺趙剛研究員等專家團(tuán)隊(duì)將目光聚焦于鯨魚座星流，利用一系列高精度動力學(xué)數(shù)值模擬，在計(jì)算機(jī)中重構(gòu)出鯨魚座星流的形成過程，并對其在被銀河系吞食前的樣子做了畫像。日前，團(tuán)隊(duì)成員常江接受《科技周刊》記者采訪，為我們揭開鯨魚座星流形成的神秘面紗。

“大廚”銀河系“在線拉面”

很早很早以前，一個(gè)由數(shù)億顆恒星組成的矮星系（光度最弱的一類星系）被銀河系捕獲，成為銀河系的衛(wèi)星星系，并繞著銀河系運(yùn)行。約50億年前，太陽剛開始燃燒，地球也還未形成的時(shí)候，在距離銀河系中心12萬光年的地方，銀河系巨大的潮汐力將這個(gè)矮星系由外向內(nèi)地“剝開”，被潮汐剝離的恒星慢慢脫離這個(gè)矮星系，但仍然圍繞著銀河系運(yùn)行，其中有的恒星“跑”到了前面，有的恒星“落”在了后面，最終形成了以矮星系為中心一前一后的星流，也正是今天故事的主角——鯨魚座星流。

“鯨魚座星流最早是由美國研究團(tuán)隊(duì)在2009年發(fā)現(xiàn)，它源于一個(gè)約為兩千萬倍太陽質(zhì)量、大概形成于120億年前的矮星系。”常江在接受《科技周刊》記者采訪時(shí)表示，如果把矮星系大致想象成一個(gè)由數(shù)億顆恒星組成的大洋蔥，銀河系的潮汐作用把這個(gè)洋蔥一層層地剝開，直至將其摧毀。不同時(shí)刻被剝下來的“洋蔥瓣”由于能量和動量的差異，里面恒星的運(yùn)動速度也不一樣，在銀河系引力場中，它們就像是拉面師傅——銀河系手中的“面團(tuán)”，被越抻越長，最終形成鏈狀的星流。“在各種擾動的影響下，‘拉面’中恒星的分布變得越來越彌散，星流越來越寬。最后，在銀河系這個(gè)大鍋中‘煮’了50億年的‘恒星面條’被‘煮化了’，留下了難以辨認(rèn)的痕跡，也就是我們現(xiàn)在觀測到的鯨魚座星流。”

如果把鯨魚座星流的形成換算成一場兩小時(shí)的電影，從400年前伽利略第一次把望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)天空開始算，人類也只看到了這場電影的五千分之一秒，想要看到這場電影的第二幀畫面，還需要再等三萬年。“矮星系并非被銀河系‘一口吞下’，一般而言，寬星流整個(gè)形成過程需要耗費(fèi)幾十億年，窄星流也至少需要數(shù)億年。實(shí)際上，由于觀測能力的限制，人類甚至連其中很小的一部分都無法觀測。”常江介紹，就像警察通過犯罪現(xiàn)場的蛛絲馬跡來還原案件經(jīng)過一樣，我們只能從望遠(yuǎn)鏡中觀測到的一幀畫面的一個(gè)小部分出發(fā)，在計(jì)算機(jī)中推測整個(gè)鯨魚座星流形成的全部“劇情”，以及“主演”——鯨魚座星流的前身矮星系的樣子。

“撈”出五十億年的“恒星面”

僅憑觀測到的星流現(xiàn)狀，如何才能準(zhǔn)確推測還原出星流長達(dá)幾十億年的形成過程呢？常江表示，想要準(zhǔn)確重構(gòu)，找到正確的“主演”（矮星系）非常關(guān)鍵。考慮到星流的形成過程受到很多因素影響，團(tuán)隊(duì)首先根據(jù)現(xiàn)在對星系結(jié)構(gòu)的研究使用理論模型，構(gòu)建了數(shù)十個(gè)可能的“主演”，然后在不同時(shí)間把它們從不同位置，以不同速度放到銀河系的引力場中，在計(jì)算機(jī)中模擬這些“演員”在銀河系引力場中的動力學(xué)演化。團(tuán)隊(duì)仔細(xì)對比觀測結(jié)構(gòu)和模擬結(jié)果，最終選取數(shù)百個(gè)模擬中貼合度最好的一個(gè)。而被挑選出來的矮星系的演變過程，則大致是鯨魚座星流的形成歷史。“我們能較可靠地給出鯨魚座星流前身矮星系的質(zhì)量、形態(tài)以及星流開始形成的時(shí)刻等信息，這種對星流形成過程細(xì)節(jié)上的深入研究在國外的同類研究中是沒有的。”常江說。

在這碗“煮化”了的“恒星面”中，如何“撈”出正確的“面”，也是重構(gòu)工作的一大難點(diǎn)。常江解釋，找寬星流的本質(zhì)是在動力學(xué)空間中“找團(tuán)”，首先要獲得恒星在動力學(xué)空間中的分布。“目前還沒有哪個(gè)望遠(yuǎn)鏡能單獨(dú)做到這一點(diǎn)，因而需要交叉不同望遠(yuǎn)鏡的觀測數(shù)據(jù)，來獲得恒星完整的運(yùn)動學(xué)參數(shù)。”國內(nèi)有很多團(tuán)隊(duì)發(fā)布了多個(gè)針對不同方向的星表，這些星表是科研團(tuán)隊(duì)研究的基礎(chǔ)。雖然星流的空間分布范圍非常彌散，但基于團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從動力學(xué)空間尋找星流的新算法——StarGO（恒星圍棋），我們依舊能很好地在動力學(xué)空間中通過成團(tuán)性找到星流。這個(gè)算法比現(xiàn)有的星流尋找算法在效率、完備度以及可靠性上，都有明顯的提升。“利用StarGO，我們在2019年成功認(rèn)證出鯨魚座星流的158顆成員星，并與國家天文臺薛香香研究員通過Friends-Of-Friends（朋友的朋友）算法從動力學(xué)空間成團(tuán)性找出的星流做了對比，檢驗(yàn)了我們找出的星流成員星的可靠性。”

常江坦言，在以前，由于觀測技術(shù)的限制，天文學(xué)家們只能看到小質(zhì)量矮星系或者更小質(zhì)量的球狀星團(tuán)形成的細(xì)星流，即“小碗細(xì)面”。因?yàn)槿狈恿W(xué)信息，人們無法獲得細(xì)星流的軌道參數(shù)，只能粗略地?cái)M合星流在天空中的分布軌跡，難以給出完整的形成歷史。而近幾年來，隨著以我國郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）為代表的地面望遠(yuǎn)鏡和以歐空局蓋亞（Gaia）項(xiàng)目為代表的空間望遠(yuǎn)鏡的陸續(xù)投入使用，對星流的研究開始深入到大質(zhì)量矮星系形成的寬星流，即“大碗寬面”。這些新一代望遠(yuǎn)鏡陸續(xù)投入使用后，不僅大大拓展了能找到的星流形態(tài)范圍，將星流的研究拓展到中期和晚期形態(tài)，還能清楚地看到星流的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)動方向。

“‘大碗寬面’的分布范圍更廣，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，同時(shí)由于演化時(shí)間更長，其受到銀河系的影響更多，包含了更多時(shí)間和空間上的信息。”常江說，由于之前長期缺乏大型望遠(yuǎn)鏡，導(dǎo)致我國在細(xì)星流的觀測上相比國外缺少幾十年的積累。但隨著郭守敬望遠(yuǎn)鏡的投入運(yùn)行，大樣本光譜數(shù)據(jù)不斷積累，目前我國已經(jīng)找到了很多寬星流，實(shí)現(xiàn)了在銀河系星流這一研究領(lǐng)域的“彎道超車”。

“大碗寬面”里捕捉銀河奧秘

銀河系是人類所處的“島宇宙”，包含了約一千億顆恒星，范圍超過十萬光年，而太陽只不過是這個(gè)“島宇宙”中一顆普通的矮星。銀河系的形成和演化、銀河系的整體結(jié)構(gòu)，以及銀河系近鄰宇宙學(xué)的研究是天文學(xué)的重點(diǎn)和前沿。常江告訴《科技周刊》記者，根據(jù)目前主流的宇宙結(jié)構(gòu)形成理論，我們宇宙中小的結(jié)構(gòu)首先形成，然后通過不斷地并合，相互吞食形成大的星系。銀河系作為一個(gè)典型的大質(zhì)量星系，形成過程中也必然經(jīng)歷了多次并合事件，即通過吞食周圍的矮星系而成長為現(xiàn)在這個(gè)“大個(gè)子”。星流正是這一吞食過程所留下的痕跡，因此它也被視為研究銀河系結(jié)構(gòu)和形成歷史的重要探針。

星流研究進(jìn)入“大碗寬面”時(shí)代，無疑可以讓人類在空間上和時(shí)間上對銀河系有更為全面的認(rèn)識。“一方面，‘寬面’是經(jīng)過銀河系長期的潮汐剝離過程影響而形成的，其中包含了銀河系的質(zhì)量增長過程的信息；另一方面，‘大碗’所對應(yīng)的大質(zhì)量矮星系被銀河系吞食的過程，不僅是銀河系形成過程的重要事件，還可以用于檢驗(yàn)宇宙學(xué)模型。”常江說。

由于只能看到銀河系在當(dāng)前時(shí)刻的一小部分畫面，人們對銀河系形成過程和演化過程中經(jīng)歷的并合事件一直都不甚了解。兩年前，中國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)曾利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡為銀河系的伴星系——人馬座星流描繪過三維空間軌道分布情況。而在很長一段時(shí)間里，人馬座星流的形成也是人們唯一知道的銀河系所經(jīng)歷的大質(zhì)量矮星系并合事件，因此人們普遍將銀河系很多結(jié)構(gòu)的形成都簡單歸結(jié)于人馬座矮星系的擾動。

“本次我們重構(gòu)的鯨魚座星流同樣是由大質(zhì)量矮星系形成，這或許為銀河系中眾多奇特結(jié)構(gòu)的形成提供了另外一種可能。”據(jù)了解，當(dāng)2018年Gaia衛(wèi)星數(shù)據(jù)公開后，人們發(fā)現(xiàn)銀河系在100億年前有過一次大并合，正是這個(gè)并合形成了銀河系的中央結(jié)構(gòu)。而此次鯨魚座星流重構(gòu)的研究填補(bǔ)了100億年前至今的一個(gè)大質(zhì)量并合事件的空白，為研究這段時(shí)間中銀河系的形成和演化提供了一個(gè)很好的線索。

常江告訴記者，這個(gè)春天，我國的空間站“天宮”的核心艙段將會發(fā)射進(jìn)入太空。再過兩年，中國空間站望遠(yuǎn)鏡（CSST）將會發(fā)射。屆時(shí)，我們將會擁有一個(gè)比“哈勃”更強(qiáng)大的太空望遠(yuǎn)鏡，相信海量的數(shù)據(jù)和更多激動人心的發(fā)現(xiàn)也將會隨之而來。（謝詩涵）

標(biāo)簽：星流銀河系