銀河系中心——塵封的故事
圖註：從地球上仰望銀河，這個橫亘夜空的巨大結構無疑震懾人心，但天文學家這次卻把目光集中在了非常小的一塊天區上——銀心。藉助哈勃空間望遠鏡，他們對1萬顆類太陽恆星的化學組成和運動進行了觀測。研究結果顯示，銀河系中心的核球中恆星分布異常密集，且都在進行不同速度的劇烈運動。這些或年輕、或年老的恆星就是引領天文學家走近銀河系形成之初的重要線索。圖中左上的方框內就是哈勃在銀心方向用光學和近紅外波段拍攝的圖片。圖片來源：NASA, ESA, and Z. Levay (STScI)
得益於前人的積累和現代的科技進步，地球上的我們不僅知道月球圍著我們繞轉，而我們也同時在圍繞太陽公轉，甚至我們可以從太陽系中一窺龐大的銀河系。太陽系裡的我們身處銀河系，雖然渺小卻仍時時不忘揭開銀河系神秘的面紗。上半年剛剛釋放了第二批數據的蓋亞衛星已經為我們帶來了前所未有的銀河系「證件照」，震撼了無數地球人。不過，對著浩淼銀河中某些局部細細研究，天文學家也能做出新的發現。在銀河系的中心，異常密集地分布著超乎想像的海量恆星。在這個星系最古老的結構中，容納著彷彿銀河系演化化石般的年老恆星，有些甚至已經數十億歲高齡。面對這些歷史珍寶，天文學家變身為考古人員，不斷撩開由星際氣體和塵埃所構成的「神秘面紗」，試圖還原出銀河系形成之時的神秘圖景。銀心中的那些成群年輕和年老恆星為我們揭開銀河系的形成之謎給出了有意思的線索。
首先，讓我們來回顧一下人類從古至今對銀河系的了解過程。最初的人類憑著肉眼仰望星空，看到了橫亘夜空的巨大白色條帶狀結構。在中國的文化里，這是分開了牛郎、織女的銀河；而在西方，這又成了奶白色的牛奶路（Milky Way）。不同的文化基於觀察，對這個龐大的結構給出了看似不同，但卻具有某些共性的描述。隨著科學技術的萌芽，人們開始進行更加精確和定量的天文觀測，從最初伽利略開始使用望遠鏡，到赫歇爾父子開始對銀河裡的恆星進行描點計數。人們對銀河系的了解和認識，越來越客觀和精確。科學技術在發展，科學方法也被充分利用到了天文學研究中。當代代積累的觀測數據越來越豐富，天文學家便開始嘗試構建模型，用不同的理論來解釋他們眼中的銀河系。每次新觀測得到的數據，都會幫助天文學家不斷驗證之前的銀河系模型，如果遇到觀測與理論結果不相符，他們便會對已有模型和理論進行調整。構建理論和模型、獲得新數據、進一步檢驗模型、優化模型，正是一次次的循環和不斷迭代改進，幫助現代天文學家得知了銀河系的全貌。身處在太陽系裡的我們，無法瞬移到銀河系之外一覽全局，但卻仍然憑藉爆髮式增長、越來越精確的數據勾勒出了銀盤、核球和銀暈等各個細節。
圖1：早期根據描點計數畫出的銀河系
那麼，現在天文學家眼裡的銀河系是什麼樣子的呢？
如果能跳出銀河系，從其上方俯視，我們會看見一個漩渦狀的結構，多條巨大的旋臂圍繞著中心突起的棒狀結構繞轉。而我們的太陽系、乃至我們小小的地球就位於其中的獵戶臂上。事實上，一條條旋臂正是銀河系中恆星分布的密集區，而銀河系中心更小區域內的棒狀結構里分布著更加密集的恆星。不過，值得說明的是，同樣是恆星密集分布，程度可是大不一樣。目前位於獵戶臂上的我們，晚上在天光環境較好的地方肉眼大約能看到黑色夜幕上點綴了幾千顆星星。可如果要是把地球挪到銀心處，那「夜晚」這個定義都有待商榷了，無比「擁擠」的恆星將會把夜空照得亮如白晝。銀河系裡的這些恆星、行星、衛星、塵埃、氣體分布在各個不同的位置，以不同的速度和方向圍繞著銀心運動。
讓我們再換個角度，從側面再來看看銀河系。此時的銀河系更像是個盤子，這個扁平的盤子中心的突起就是核球部分。另外，在盤子的外層還分布著一個物質分布相對稀薄、球形的暈狀結構，天文學家稱之為銀暈。
之前的觀測數據表明，銀河系整個盤面的直徑大約是10萬光年，而中心區的核球直徑約1.2萬光年，厚約1萬光年。在這個小小的區域里，滿是年老的恆星以及星際氣體和塵埃。天文學家正是要對這片範圍內的恆星進行仔細挖掘，從而找到銀河系年輕時的痕迹。雖然從俯視圖上看銀河系像個靜止的盤子，但實際上恆星的運動和演化是每時每刻在真實發生的，就連那些巨大的旋臂也不是一成不變的，它們也是變化的，只不過它們生長和運動的時間尺度比人類日常的要長很多而已。由此想來，我們所在的銀河系其實不僅僅是一個固化的物體，而更像是一座生機勃勃的城市。城市的中心人口密集，車水馬龍，建築林立；而遠郊地區則人煙稀少，空曠寧靜。
圖2：左邊是銀河系俯視圖，我們的太陽系位於獵戶臂上，距離銀心2.6萬光年。右圖是銀河系的側視圖，可以清晰地看到核球、銀盤和巨大的銀暈結構。圖片來源：Copyright: Left: NASA/JPL-Caltech; right: ESA; layout: ESA/ATG medialab
當我們嘗試去觀察一個「活著」的銀河系，把歷史演化的進度條回放或快進時，我們將不僅能看到它的現在，還能追溯它的過去，遙想將來。最近的一項研究對核球區的1萬顆類太陽恆星進行了分析，研究人員發現在無比「繁華」的核球範圍內，存在著大量不同年齡的恆星，它們在以不同的速度進行繞轉運動，它們來來往往，川流不息。這些觀測的數據來源於哈勃空間望遠鏡長達9年的歷史記錄。而且就目前來看，對於處在距離銀心2.6萬光年、身處地球的天文學家來說，哈勃也是為數不多具有足夠解析度，對遠在核球位置的大量類太陽恆星進行觀測的望遠鏡之一。通過進一步分析這些恆星，研究人員還發現，那些運動更快、形成時間更短的恆星很可能是我們的銀河系在吞併其他矮星系時拉扯進來的。也就是這些後來的「新移民」造成了核球區恆星年齡和運動情況的多樣化。它們與銀河系早期的「原住民」一起在核球這個高密度的「城區中心」共同「生活」。城區熱鬧無比，信息量巨大，但也正因為密度過高，過於擁擠，所以一直影響著天文學家看清、看透其中正在發生的事情。關於核球的詳細形態，天文學家也是在積累了很多觀測結果之後，才從球形精確到了兩端略大、中心略細的棒狀結構。而現在哈勃給出的更加豐富的數據，將進一步幫助天文學家了解在核心區的混亂、複雜的面紗之下的銀河系演化線索。每顆恆星從誕生到死亡所經歷的一切都是屬於它自己的故事，但是在茫茫宇宙中，放眼歷史長河，無數恆星的條條演化軌跡匯合到一起，就能為我們了解銀河系的過去指明道路。天文學家通過研究恆星，不僅可以了解其大小、溫度、演化階段、化學組成、年齡，甚至還找到了它們最初誕生時所處環境的蛛絲馬跡。
這項研究是由密歇根大學的威爾·克拉克森（Will Clarkson）所主持，該研究團隊發現核球中恆星的運動模式與其自身的化學成分相關。比如，重元素（注，天文中把比氫和氦重的元素稱為重元素）豐富的恆星出現不規則運動的概率較低，但其圍繞銀心繞轉的速度也比那些重元素貧乏的年老恆星要快。
銀河系一直以來都是天文學家關心的熱門方向，而其中恆星密度超高、運動極端劇烈的中心區——核球——更是為天文學家所關注。依據目前得到的數據，已經有了不少關於銀心核球以及銀河系起源的理論和模型。一些理論認為，在130億年前銀河系形成的同時，核球結構也產生了，因此，核球現存的應該都是年老的恆星，而且具有相似的運動。不過，另一些理論認為，核球並沒與銀河系同時產生，而是隨著後者在慢慢的演化過程中產生了第一代恆星之後才出現的。根據第二種理論來推測，核球中現在也可能存在相對年輕的恆星，並且與年老恆星的運動存在差異。這些年輕的恆星出生較晚，在形成時周圍環境中已經有之前恆星演化結束產生的遺迹物質存在，所以這些「新生兒」的重元素丰度要明顯更高。
由此可見，要想確定這兩種理論的對錯，關鍵就在於這些恆星。藉助哈勃已有的長達9年的觀測數據，以及不斷改進和完善的分析技術，天文學家對化學丰度不同的類太陽恆星的運動情況有了更加深入和清晰的認識，這將幫助他們透過恆星了解核球的起源。
基於這些恆星樣本的詳細數據，天文學家得以建立一個核球區恆星化學成分以及複雜運動的資料庫。他們將這些恆星根據化學成分分類，再進一步比較它們相對恆星群的運動。化學成分的區分主要取決於恆星的顏色，恆星基於自身的重元素（鐵）丰度被分成兩大類，其中丰度較高的恆星運動速度是另一類的兩倍。在這項研究中，歐南台位於智利的甚大望遠鏡給出的光譜數據也為分析恆星的化學成分提供了很大幫助。
那麼，研究人員又為什麼要在海量恆星分布的核球區域，鎖定類太陽恆星這類目標呢？具體原因也很現實：一方面是因為這類樣本最為豐富，另一方面是因為哈勃空間望遠鏡觀測它們較為容易。之前觀測的目標也曾選擇過更亮、更年老的紅巨星，但樣本數量明顯要少。這是因為在恆星的一生中，處於紅巨星階段的時間相對來說較為短暫。所以考慮到恆星演化各個階段的具體時長，還是類太陽恆星更適合成為觀測目標。
圖3：2018年4月蓋亞衛星第二批數據釋放給出的最新銀河系側視圖。圖片來源：GAIA
研究人員接下來的計劃，就是要把目光看向更多不同的方向，進一步豐富數據，構建更加精確的核球恆星資料庫。這其實就是上文提到的天文學研究方法，不斷觀測，改進模型，優化模型，繼續觀測！天文學家將離最後的答案越來越近，他們也將畫出越來越真實的銀河系寫真。
（責任編輯 馮翀，運營：李鑒）
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