銀河系里的“考古”

近日，天文學家使用哈勃太空望遠鏡首次精確測量了地球與宇宙中最古老天體系統之一——球狀星團NGC 6397的距離。最新測量表明，134億歲“高齡”的NGC 6397距離地球7800光年。

7800光年意味著什么？銀河系直徑為10萬光年，地球距離銀河系中心2.6萬光年。從銀河系或宇宙尺度來看，NGC 6397算得上是地球在銀河系的一位近鄰。

那么問題來了，為何地球周圍會有如此“年老”的星團？宇宙膨脹沒有讓它遠離地球嗎？星團內的所有恒星年齡都一樣嗎？天文學家又是如何測定天體年齡的？

抱團取暖并非人類的專利。成千上萬甚至數十萬顆恒星聚集在一起，形成外貌呈球形的恒星集團，它被稱為球狀星團。因為被引力緊緊束縛，星團內的恒星向中心高度集中，越靠近中心，恒星越密集。

有喜歡抱團的自然就有喜歡松散的，球狀星團和疏散星團是銀河系里的兩種主要星團。球狀星團比較“年老”，一般有100億年以上的歷史，疏散星團相對年輕。

“不管是哪一種星團，它之所以叫星團，都暗含一個假設，即這個星團里所有的恒星都是在同一時期產生的。原則上我們認為它們應具有相同的初始化學成分，不同的演化軌跡主要反映了它們的質量不同。”國家天文臺副研究員李海寧解釋道。

通常人們認為，宇宙大爆炸之初產生的物質隨著宇宙膨脹不斷向外擴散，離地球越遠的天體年紀越大。比如一個天體距離地球100億光年，它發(fā)出的光照到地球上需要100億年的時間，可想而知它的年齡至少有100億年。

為何在地球周圍會有“年老”的星團？宇宙膨脹沒有讓它們遠離地球嗎？

天文學上有一個概念叫共動。事實上，地球不是太陽系的中心，也不是銀河系的中心，更不是宇宙爆炸的起點。當銀河系形成后，銀河系本地有一些非常“年老”的物質，地球和它們隨著宇宙的膨脹一起膨脹，這是共動的一種體現。

宇宙是否存在中心或宇宙中心在哪仍是個未知數，我們所在的位置只是宇宙中很普通的一個點，跟其他任何地方是一樣的。如果宇宙膨脹速度非常快，而且大致比較均勻，可以認為每個地方應該都有最早期的那些物質和信息。所以，并不是離地球近的就一定是年輕的物質。

研究表明，銀河系在演化過程中吸引并吞噬了周圍許多較小的星系，并逐步將這些小星系的恒星融進銀河系。小星系被吞噬后，會在銀河系引力作用下形成一道橫跨天空的暗弱星流。

目前科學家已經在銀河系中發(fā)現了多條來自早已消失的衛(wèi)星系的星流，這證實了一個理論：起初銀河系很小，它通過大規(guī)模吞噬小星系來增加質量，這一過程稱為“等級式結構形成”。科學家希望通過研究這些星流來探究銀河系的形成之謎，即“銀河系考古”。

現有理論認為，宇宙年齡大致為137億年。為了探索宇宙的起源和演化進程，人們把目光投向距離地球非常遙遠的天體。因為距離地球越遠，意味著天體年紀可能越大。然而遙遠的天體光芒相對較暗，對觀測技術和設備的要求很高，觀測難度很大。受觀測技術和設備所限，目前對早于100億年前的可視物質的形成，即第一代恒星形成和星系形成的歷史知道得很少。

既然遠距離觀測難度很大，而且在地球周圍就有接近宇宙年齡的天體，是不是可以在近處進行“考古”？答案是肯定的。

相對于傳統的遠距離觀測，在銀河系內尋找“化石”來研究宇宙演化的方法稱為近場宇宙學。一些古老的天體保留了許多宇宙嬰幼兒時期的重要信息，天文學家親切地稱它們?yōu)椤坝钪婊薄?/p>

事實上，古老地質年代的地球以及當時生長著各種生命的情景早已消逝，但科學家可通過研究化石為生物的起源和演化勾勒出合理的圖景。同樣，宇宙演化進程也可以尋找類似的“宇宙化石”進行研究。

經過數十年的研究，銀河系考古學家從斯隆數字巡天項目的數據中得到了一幅高質量的銀河系恒星三維分布圖。該項目建立了一個包含銀河系8000多萬顆恒星的數據庫，這些恒星所在的范圍覆蓋了1/4的天區(qū)，恒星的距離、顏色等信息也被記錄在其中。

在斯隆數據庫記錄的大量恒星信息中，闖入銀河系的恒星數量大約有近100萬顆，天文學家可以利用它們尋找很久以前就已消亡的星系存在的證據，銀河系考古學家還能利用它找到那些位于銀暈中的恒星，針對性的尋找方式可以讓研究人員更好地探究星流的奧秘。

2003年，研究人員在銀河系已知最近的衛(wèi)星系——人馬座矮星系流出的巨型尾狀結構找到了第一個具有說服力的星流證據。此后，銀河系考古學家從斯隆數據庫中又發(fā)現了十幾條圍繞銀河系的星流。這些發(fā)現表明，銀河系在早期歷史中吞噬星系的頻率更高，此后由于可供其“進食”的矮星系數量減少，這一頻率逐漸降低。

研究“宇宙化石”、進行宇宙“考古”需要測量恒星的年齡。測量恒星年齡主要有三種方法，即赫羅圖、測同位素法、星震法。

天文學家將恒星的光度以及表面溫度共同標識在一張圖上，便形成了赫羅圖。這是天文學家研究恒星演化的必備工具，能讓科學家對恒星進行“年齡普查”。恒星一生中的大部分時間都處于主序帶上，觀測它在赫羅圖主序帶上的位置，再與理論給出的模型比較就能推斷出它在主序帶上演化了多久，從而推測它的年齡。

在地球上考古時，為了解某個器物的年齡，人們通常采用測碳同位素的方法，在測量天體年齡時也有類似的方法。比如測量出恒星光譜后，每一條譜線對應某一種元素，對譜線進行分析就能推斷出恒星里含有多少鈾、釷等放射性元素，進而通過衰變元素的豐度比來判斷恒星的年齡。根據恒星演化理論，能夠通過兩種放射性核素的含量比值推算出這顆恒星的年齡。

星震法是探測距離比較近的恒星內部的脈動特征，再與相關的理論模型比較，從而準確地判定它演化到什么階段，再結合它的質量就可以推斷它的年齡。

精確確定恒星年齡可不簡單，這三種方法各有長短。隨著蓋亞衛(wèi)星觀測數據的釋放以及凌日系外行星勘測衛(wèi)星開始全天觀測，我們將能獲取銀河系恒星更多、更準確的數據，更精準地確定它們的年齡，從而更深入地探究宇宙的演化軌跡。

通過NASA哈勃望遠鏡對銀河系中心區(qū)域進行“考古”，天文學家們發(fā)現了一些銀河系形成初期的線索。

在深入研究了銀河系中央高密度的星系集合之后，研究人員發(fā)現了一些曾經占據河心的恒星殘余物——大量古老的白矮星。這些白矮星的發(fā)現進一步揭示了銀河系的早期形成過程，該過程遠遠早于地球和太陽的形成。

正如任何古代遺址一樣，新發(fā)現的白矮星記錄了一段上古時代的歷史。120億年前恒星發(fā)生巨變，隨著內部燃料耗盡，恒星殘骸冷卻，最終演化為白矮星，我們可以通過它們了解銀河系早期的壯麗歲月。

對哈勃數據的分析顯示，銀河系銀核中的恒星是在銀核形成后的不到200萬年內演化而成的。銀盤周圍區(qū)域內第二和第三代恒星的生成則緩慢得多。

天文學家也利用其他的恒星特性來尋找更消散的星流和已經完全解體的星流遺跡，從而探索銀河系形成過程。近日，一個國際科研團隊發(fā)布了對銀河系內34萬顆恒星“DNA”——恒星化學元素（如鐵、鋁和氧）含量的調查結果，這是迄今對銀河系內恒星進行的最大規(guī)模的調查。新數據有助于天文學家找到太陽的出生星團，并研究銀河系的形成和演化歷程。

過去10年，人們對環(huán)繞銀河系星流的研究有了許多驚人的發(fā)現。未來，這些發(fā)現將極大地擴展人類對星系形成的認知。