銀河系揭秘

編譯 吳青

在清朗夜空下，抬頭可見銀河璀璨。壯麗無比的銀河系，其實是星球、塵埃和氣體旋轉組合在一起的結果。人們自古以來就對夜空中的群星感興趣，但對銀河系的科學認識直到最近才正式開始。

銀河結構 精細復雜

螺旋星系（示意圖）

銀河系結構（示意圖）

銀河系得名是因為我們從地球上能看見夜空中呈帶狀密集分布的群星，但實際上銀河系是把我們完全包圍的一個超巨大結構。地球夜空中的每顆星（包括太陽）都是它的一部分。早在伽利略時期，人們就認識到銀河系是旋渦狀的。2020 年，中外科學家繪制出最精確的銀河系結構圖，明確了銀河系是一個具有四條旋臂的棒旋星系。

銀河系的精細復雜結構歷經數十億年才演化出來。銀河系中央有一個非常古老的凸起，其中包含銀河系中大多數的古老恒星，它們是我們所在宇宙部位最初形成的恒星的殘余。而在這個凸起的正中，有一個超大質量黑洞，這個黑洞是銀河系的核心。在這個凸起的周圍有一些主要由古老恒星組成的巨大棒狀結構，正是它們在推動銀河旋臂。

也許你會問：我們處在銀河系的什么位置？科學家現在已經知道，太陽位于銀河系中心和旋臂外端中間的位置。但這是太陽現在的位置。事實上，銀河系的優雅結構正是銀河系動態歷史的證據，太陽在此過程中的位置也在變化。既然我們身處銀河系內部，那么怎樣才能觀測整個銀河系，探索它的歷史？能夠實現的辦法是，我們必須能看到很遠很遠的地方。

銀河系黑洞（示意圖）

哈勃升空 銀河現形

有關銀河系形成機制的線索直到20 世紀90 年代才浮現。當時，主鏡直徑為2.4 米的哈勃空間望遠鏡（簡稱哈勃）升空，它不僅可以觀察銀河系，還可以觀察比銀河系還遠很多的深空。哈勃能捕捉從很遠之外的星系發出的光線，這相當于能夠讓我們回到過去，更清楚地看見不同的星系和早期的宇宙。

為了讓我們“回到過去”，哈勃曾一連11 天“凝視”宇宙中一個小小的區域。通過哈勃的超深視場，我們才能看見宇宙中的各種星系。哈勃發現，宇宙中的星系數量以萬億計，星系形態復雜多樣，有正以快得難以想象的速度產生恒星的星暴星系，也有質量不到銀河系萬分之一的矮星系，而矮星系是宇宙中最常見的星系。

星爆星系

哈勃的發現告訴我們，星系形成于宇宙極為活躍的時期，也就是宇宙剛開始形成后不久。在銀河系形成之前，太空中有很多被稱為“宇宙網”的巨大結構。氫氣和氦氣沿著宇宙網中的巨大暗條聚集，而宇宙網本身由神秘的暗物質構成。

哈勃望遠鏡

哈勃望遠鏡拍攝的銀河系照片

創生星系 靠暗物質

宇宙網（模擬圖）

暗物質有引力，且不發出光線。在銀河系中，暗物質占據絕大部分質量。我們至今仍不清楚暗物質究竟是什么物質，但已經知道星系需要以暗物質作為“膠水”來讓自己保持完整。第一批恒星是在宇宙網暗條交叉處暗物質最密集的地方形成的。在這些地方，被暗物質引力吸引來的大量氣體堆積，然后在自身引力下坍縮，導致恒星誕生。由此產生的數萬億顆恒星被引力聚集在一起，環繞一個共同的質量中心，星系就是這樣來的。從這個意義上說，是暗物質創生了星系。

銀河系是宇宙中最早形成的星系之一，最初的銀河系是被一條不可見的暗物質環包圍的、由氣體和恒星組成的旋轉盤。在當時的宇宙中，正在形成的星系有幾千億個，其中幾十個非常靠近銀河系。隨著時間推移，引力讓這些星系更加靠近，共同組成本星系群。銀河系的本星系群位于一個引力鎖定區域，也就是說，因為受彼此引力影響，這些星系互相靠得很近，以致一些星系最終會碰撞、合并成一個更大的星系。

蓋亞升空 精準測距

蓋亞探測器（示意圖）

在銀河系形成30 億年后，“銀河”出現在銀河系中首批行星的夜空中，但當時銀河系恒星數量僅為今天的一半，而且當時銀河系的形狀沒有今天規則。那么，銀河系怎么會有旋臂？為了解答這個問題而發射的蓋亞探測器（簡稱蓋亞）可以直接觀察銀河系，并且可以測量恒星之間的實際距離。

為了實現這個目的，蓋亞的設計者為蓋亞設計了非常長的運行軌道，因此蓋亞能在不同點位觀測同一顆恒星，這被稱為視差測量。為了完成視差測量，蓋亞飛到了距離地球160 萬千米的地方。它的任務包括為銀河系中的10 億顆恒星定位，這些恒星中有一半是首次被定位，因為在蓋亞之前，科學家只能通過銀河系的圖像來推測恒星位置。

蓋亞是第一部能精確定位恒星的探測器。那么，它是怎樣做到這一點的？首先，它飛到一個遙遠的引力平衡位置——L2。在這個引力穩定的地方入軌，它只需很少的燃料就能讓自己保持穩定，以保留足夠的燃料讓自己在一個大軌道中環繞太陽運行。只需要噴射很少的氮推進劑，蓋亞的望遠鏡就能一天完成4 次順暢的360°旋轉，讓它每小時能進行超過150 萬次觀測。由此，只花了4 個月時間，它就把整個天空觀測了一遍。

蓋亞會采集宇宙中格外明亮的星體的數據，這些星體分布在從銀河系中心到暗物質環再到環外的各個地方。在軌道中運行數百萬千米后，蓋亞完成了各恒星的多方位觀測。在蓋亞對宇宙進行了近兩年不間斷的掃描后，科學家運用三角測量法確定了超過10 億顆恒星的位置，從而得到了迄今為止最精確的銀河系地圖——蓋亞地圖。

疑點浮現 究竟為何

蓋亞的探測數據讓科學家能立體地觀察銀河系，這種視角是前所未有的。在這之前，研究銀河系的方法是通過電腦模擬和根據近似數據進行結構推測。這種傳統方法誤差較大，而蓋亞則能辨明幾千光年外的恒星在星團中的相對位置。

銀河系本星系群（示意圖）

蓋亞不僅能精確測量天體位置，而且能觀測天體的移動。也就是說，蓋亞除了能對空間進行立體測繪外，還能捕捉另一個維度——時間的信息，這是蓋亞反復環繞太陽的結果。蓋亞有助于我們推算，恒星接近或遠離地球的速度，這對于了解天體隨時間的演化情況非常必要。科學家一旦知道恒星的運動狀態，就能運用牛頓力學算出恒星運動方向，也可以根據恒星運動倒推恒星原來的位置。這一極具創新性的科學領域被稱為星系考古。

蓋亞的新探測數據有助于科學家發現銀河系與銀河系本星系群之間的交互模式。通過了解銀河系的相鄰星系，科學家發現星系并非靜止不動。在引力的作用下，有的星系會相互靠近，有的則會相互遠離。形象地說，引力讓不同的星系“共舞”。

應該說，蓋亞才剛開始揭示星系“共舞”的復雜步驟。當蓋亞向地球傳回首批數據后，科學家通過分析它們獲得一個很奇怪的發現：銀盤上一些恒星的旋轉方向與絕大多數恒星的相反。這意味著，銀河系中的恒星可能并非都誕生在銀河系中，而可能是來自其他星系。

星系碰撞 銀河變大

如果我們能回到100 億年前，站在銀河系早期形成的某顆行星上，就會看見天空中一個非常壯麗的場面——數十億顆恒星向我們飛來，這是因為銀河系即將與本星系群中的一個星系——蓋亞-恩克拉多斯相撞。大小只有銀河系1/4 的蓋亞-恩克拉多斯被銀河系吸引，同時也將給銀盤造成混亂。

星系合并（哈勃圖像）

聽起來，星系碰撞很猛烈。但實際上，星系碰撞優雅得讓人難以置信，這是因為星系中的大部分區域空空如也。當星系碰撞時，兩個星系就像幽靈般相互穿過，發生恒星相撞的可能性很低。受星系引力影響，兩個相撞的星系開始“共舞”：一個星系先奔向另一個星系，然后退回來。這好像是天空芭蕾。

但星系碰撞會改變星系結構，讓恒星改變軌道，把氣體推到其他地方。推動星系碰撞的背后動因仍然是暗物質。星系間的引力很大程度上由暗物質決定，因此暗物質也決定星系碰撞的強度，決定碰撞后星系的結構。在銀河系形成了僅僅幾十億年后，其質量就已比蓋亞-恩克拉多斯大許多。這樣一來，銀河系的引力就徹底壓制了這個鄰居。

由此，科學家首次證實銀河系是逐漸變大的。

蓋亞-恩克拉多斯星系與銀河系

太陽起源 會在他鄉？

為了查明太陽系為什么會在今天的位置上，科學家又開始追蹤另一個不尋常星群的歷史。以一條壯觀的軌跡環繞銀盤的這個星群，被叫作人馬座星流。它是受銀河系引力影響而延伸在夜空中的一個巨大的潮汐星流。這個星群得名于直到20 世紀90 年代才被發現的人馬座矮星系，而該星系的大部分都是延展的兩個星流，一前一后，延展距離可能達10 萬光年。那么，這些星流為什么會如此分布？

因為有蓋亞的探測，科學家得以確定人馬座星流中恒星的運動方向和速度。由此他們首次發現，人馬座星流其實是一個矮星系，是人馬座矮星系墜入銀河系的潮汐殘余。通過探索人馬座星流中的恒星，科學家認識到這場星系碰撞的歷史：人馬座矮星系在運行過程中逐漸靠近銀河系，最終人馬座矮星系中的恒星開始脫離該星系；當人馬座矮星系經過銀盤時，在銀盤中砸出一個洞，于是人馬座矮星系中的恒星最終變成人馬座星流。

銀河系運轉（示意圖）

人馬座矮星系穿越銀河系（示意圖）

人馬座星流（示意圖）

可以說，是個頭小得多的人馬座矮星系“侵擾”銀河系才產生了人馬座星流，這與蓋亞—恩克拉多斯和銀河系的相撞相似。不過，人馬座矮星系與銀河系相撞的時機很有趣，因為這一相撞發生在太陽系剛剛誕生以后。碰撞后，人馬座矮星系幾乎毀滅，而銀河系中被注入大量新鮮的低溫氣體。

恒星的形成基本上離不開低溫氣體。人馬座矮星系給銀河系帶來的最重要的氣體是氫氣。星系中有很多氫氣，雖然肉眼看不見它們，但科學家能利用射電望遠鏡通過觀測氣體輻射確定其存在。沒有氫氣，就不可能形成恒星。宇宙誕生后很快就有了氫氣，氫氣始終分布在整個銀河系中，只是分布不均勻。在銀河系中的一些地方，密集的氫云團延伸長度達50 萬億千米。科學家稱這些地方為“恒星產房”。在這些地方，溫度低得足以讓氫氣凝結。

恒星產房是所有星系中最大、最冷也最暗的區域，它們可能會發出微光，但這些地方也極度狂亂，磁場強度極高，帶電粒子四處橫行。氫被譽為宇宙的血液。在恒星中心，氫聚變成氦，這一過程會釋放能量，導致恒星發光。

一個恒星產房（圖片長度代表3 光年距離）

巨型飛船來到恒星產房地帶（科幻圖）

人馬座矮星系撞上銀河系，給銀河系恒星產房帶來了更多氫，引發了一輪新的恒星誕生潮。這個時期恰好是在46 億年前太陽誕生時。也就是說，太陽的形成有可能得益于人馬座矮星系與銀河系的“相會”。

雖然人馬座矮星系很小，其影響卻很大。它在銀河系中多次進出，與銀河系復雜地糾結在一起，銀河旋臂形成也可能與之有關。然而，它的影響迅速消退，這是由于它在碰撞過程中幾乎毀滅，最終它被銀河系中心幾乎完全兼并，只留下少許痕跡。

恒星演化（示意圖）

未來銀河 面目全非

仙女座圖像

當我們仰望夜空，很容易會以為銀河系是靜止的。然而，一個人甚至整個人類、整個地球的生命史在漫長的宇宙歷史中就連一個瞬間都算不上。由于哈勃和蓋亞的貢獻，科學家終于知道銀河系并非靜態，而是經歷過、并將繼續經歷碰撞和合并。

但人類很偉大。我們對銀河系及其動態歷史了解越多，就會越覺得不可思議：我們只環繞一顆恒星——太陽，卻能弄明白銀河系的歷史。不僅如此，現在我們還準備揭示銀河系的終極命運。

科學家發現，銀河系與其他星系的碰撞并非罕見。那么下一次這樣的碰撞會怎樣？在宇宙圖像上，哪怕一個很小的點也可能代表一個巨大的星系。例如，距離我們254 萬光年的仙女座星系在宇宙圖像上就只是一個很小的點。哈勃拍攝了該星系的多幅圖像。與銀盤相比，仙女座星系似乎微不足道，但實際上它是銀河系本星系群中最大的星系。它也是一個螺旋星系，也在其漫長歷史中吞噬過多顆小行星。

哈勃拍攝的圖像表明，哪怕在仙女座星系的一個小小區域，也有上億顆恒星。你可能會以為，如此看來仙女座星系和銀河系很相似。然而，仙女座星系比銀河系還大一半。不僅如此，仙女座星系正以每小時大約40 萬千米的速度朝著我們飛來。在大約45 億年后，它將與銀河系相撞，屆時銀河系很可能將面目全非。

如果有人有幸目睹這場碰撞，那么將非常驚奇地看見恒星形成潮像焰火般點亮天空，隨后天空逐漸黯淡下來。與之前其他星系和銀河系的碰撞不同，由于銀河系這次是相對弱者，因此兩者會互相牽動、擾亂對方的旋臂，兩者原有的結構都會改變，旋臂合并成極大的一個恒星群。

電腦模擬結果是，雖然這兩個星系都將被消滅，但新恒星周圍會形成新行星，其中會有像地球一樣的行星。那時候，這些行星上的生命可能會發出和人類相同的疑問：我們來自哪里？我們在星系中的地位怎樣？我們的未來會怎樣？

讓我們把目光放得更遠：銀河系附近本星系群中所有的星系最終都將合并成一個巨大的星系，孤獨游弋。隨著宇宙膨脹，星系群之間的距離越來越大，很多星系將因此淡出視野。

雖然科學家對銀河系的了解越來越深入，但宇宙奧秘依然無窮無盡：宇宙中有其他生命嗎？宇宙從古至今是否有過其他生命，或者將來是否會出現其他生命？什么是暗物質？什么是暗能量？暗能量怎樣影響宇宙，尤其是怎樣影響銀河系和太陽系？

我們希望知道這些問題的答案，希望了解自己的起源和最終命運，因為我們喜歡探索奧秘，而宇宙當然是最大的奧秘。

銀河系在遙遠未來可能會與仙女座相撞（示意圖）