“大厨”银河系“在线拉面”

来源:新华日报

浩瀚银河之中,众多有相似运动轨道的恒星组成的河流状结构被称为“星流”。星流的形成动辄上亿年,人类文明与之相比不过须臾。这些链状星流是如何形成的?怎样才能复原星流形成的全部“剧情”?

日,中国科学院紫金山天文台常江博士、中国科学院上海天文台袁珍博士和中国科学院国家天文台赵刚研究员等专家团队将目光聚焦于鲸鱼座星流,利用一系列高精度动力学数值模拟,在计算机中重构出鲸鱼座星流的形成过程,并对其在被银河系吞食前的样子做了画像。日前,团队成员常江接受《科技周刊》记者采访,为我们揭开鲸鱼座星流形成的神秘面纱。

“大厨”银河系“在线拉面”

很早很早以前,一个由数亿颗恒星组成的矮星系(光度最弱的一类星系)被银河系捕获,成为银河系的卫星星系,并绕着银河系运行。约50亿年前,太阳刚开始燃烧,地球也还未形成的时候,在距离银河系中心12万光年的地方,银河系巨大的潮汐力将这个矮星系由外向内地“剥开”,被潮汐剥离的恒星慢慢脱离这个矮星系,但仍然围绕着银河系运行,其中有的恒星“跑”到了前面,有的恒星“落”在了后面,最终形成了以矮星系为中心一前一后的星流,也正是今天故事的主角——鲸鱼座星流。

“鲸鱼座星流最早是由美国研究团队在2009年发现,它源于一个约为两千万倍太阳质量、大概形成于120亿年前的矮星系。”常江在接受《科技周刊》记者采访时表示,如果把矮星系大致想象成一个由数亿颗恒星组成的大洋葱,银河系的潮汐作用把这个洋葱一层层地剥开,直至将其摧毁。不同时刻被剥下来的“洋葱瓣”由于能量和动量的差异,里面恒星的运动速度也不一样,在银河系引力场中,它们就像是拉面师傅——银河系手中的“面团”,被越抻越长,最终形成链状的星流。“在各种扰动的影响下,‘拉面’中恒星的分布变得越来越弥散,星流越来越宽。最后,在银河系这个大锅中‘煮’了50亿年的‘恒星面条’被‘煮化了’,留下了难以辨认的痕迹,也就是我们现在观测到的鲸鱼座星流。”

如果把鲸鱼座星流的形成换算成一场两小时的电影,从400年前伽利略第一次把望远镜对准天空开始算,人类也只看到了这场电影的五千分之一秒,想要看到这场电影的第二帧画面,还需要再等三万年。“矮星系并非被银河系‘一口吞下’,一般而言,宽星流整个形成过程需要耗费几十亿年,窄星流也至少需要数亿年。实际上,由于观测能力的限制,人类甚至连其中很小的一部分都无法观测。”常江介绍,就像警察通过犯罪现场的蛛丝马迹来还原案件经过一样,我们只能从望远镜中观测到的一帧画面的一个小部分出发,在计算机中推测整个鲸鱼座星流形成的全部“剧情”,以及“主演”——鲸鱼座星流的前身矮星系的样子。

“捞”出五十亿年的“恒星面”

仅凭观测到的星流现状,如何才能准确推测还原出星流长达几十亿年的形成过程呢?常江表示,想要准确重构,找到正确的“主演”(矮星系)非常关键。考虑到星流的形成过程受到很多因素影响,团队首先根据现在对星系结构的研究使用理论模型,构建了数十个可能的“主演”,然后在不同时间把它们从不同位置,以不同速度放到银河系的引力场中,在计算机中模拟这些“演员”在银河系引力场中的动力学演化。团队仔细对比观测结构和模拟结果,最终选取数百个模拟中贴合度最好的一个。而被挑选出来的矮星系的演变过程,则大致是鲸鱼座星流的形成历史。“我们能较可靠地给出鲸鱼座星流前身矮星系的质量、形态以及星流开始形成的时刻等信息,这种对星流形成过程细节上的深入研究在国外的同类研究中是没有的。”常江说。

在这碗“煮化”了的“恒星面”中,如何“捞”出正确的“面”,也是重构工作的一大难点。常江解释,找宽星流的本质是在动力学空间中“找团”,首先要获得恒星在动力学空间中的分布。“目前还没有哪个望远镜能单独做到这一点,因而需要交叉不同望远镜的观测数据,来获得恒星完整的运动学参数。”国内有很多团队发布了多个针对不同方向的星表,这些星表是科研团队研究的基础。虽然星流的空间分布范围非常弥散,但基于团队自主开发的机器学自组织神经网络从动力学空间寻找星流的新算法——StarGO(恒星围棋),我们依旧能很好地在动力学空间中通过成团找到星流。这个算法比现有的星流寻找算法在效率、完备度以及可靠上,都有明显的提升。“利用StarGO,我们在2019年成功认证出鲸鱼座星流的158颗成员星,并与国家天文台薛香香研究员通过Friends-Of-Friends(朋友的朋友)算法从动力学空间成团找出的星流做了对比,检验了我们找出的星流成员星的可靠。”

常江坦言,在以前,由于观测技术的限制,天文学家们只能看到小质量矮星系或者更小质量的球状星团形成的细星流,即“小碗细面”。因为缺乏动力学信息,人们无法获得细星流的轨道参数,只能粗略地拟合星流在天空中的分布轨迹,难以给出完整的形成历史。而几年来,随着以我国郭守敬望远镜(LAMOST)为代表的地面望远镜和以欧空局盖亚(Gaia)项目为代表的空间望远镜的陆续投入使用,对星流的研究开始深入到大质量矮星系形成的宽星流,即“大碗宽面”。这些新一代望远镜陆续投入使用后,不仅大大拓展了能找到的星流形态范围,将星流的研究拓展到中期和晚期形态,还能清楚地看到星流的内部结构和运动方向。

“‘大碗宽面’的分布范围更广,结构更复杂,同时由于演化时间更长,其受到银河系的影响更多,包含了更多时间和空间上的信息。”常江说,由于之前长期缺乏大型望远镜,导致我国在细星流的观测上相比国外缺少几十年的积累。但随着郭守敬望远镜的投入运行,大样本光谱数据不断积累,目前我国已经找到了很多宽星流,实现了在银河系星流这一研究领域的“弯道超车”。

“大碗宽面”里捕捉银河奥秘

银河系是人类所处的“岛宇宙”,包含了约一千亿颗恒星,范围超过十万光年,而太阳只不过是这个“岛宇宙”中一颗普通的矮星。银河系的形成和演化、银河系的整体结构,以及银河系邻宇宙学的研究是天文学的重点和前沿。常江告诉《科技周刊》记者,根据目前主流的宇宙结构形成理论,我们宇宙中小的结构首先形成,然后通过不断地并合,相互吞食形成大的星系。银河系作为一个典型的大质量星系,形成过程中也必然经历了多次并合事件,即通过吞食周围的矮星系而成长为现在这个“大个子”。星流正是这一吞食过程所留下的痕迹,因此它也被视为研究银河系结构和形成历史的重要探针。

星流研究进入“大碗宽面”时代,无疑可以让人类在空间上和时间上对银河系有更为全面的认识。“一方面,‘宽面’是经过银河系长期的潮汐剥离过程影响而形成的,其中包含了银河系的质量增长过程的信息;另一方面,‘大碗’所对应的大质量矮星系被银河系吞食的过程,不仅是银河系形成过程的重要事件,还可以用于检验宇宙学模型。”常江说。

由于只能看到银河系在当前时刻的一小部分画面,人们对银河系形成过程和演化过程中经历的并合事件一直都不甚了解。两年前,中国科学家团队曾利用郭守敬望远镜为银河系的伴星系——人马座星流描绘过三维空间轨道分布情况。而在很长一段时间里,人马座星流的形成也是人们唯一知道的银河系所经历的大质量矮星系并合事件,因此人们普遍将银河系很多结构的形成都简单归结于人马座矮星系的扰动。

“本次我们重构的鲸鱼座星流同样是由大质量矮星系形成,这或许为银河系中众多奇特结构的形成提供了另外一种可能。”据了解,当2018年Gaia卫星数据公开后,人们发现银河系在100亿年前有过一次大并合,正是这个并合形成了银河系的中央结构。而此次鲸鱼座星流重构的研究填补了100亿年前至今的一个大质量并合事件的空白,为研究这段时间中银河系的形成和演化提供了一个很好的线索。

常江告诉记者,这个春天,我国的空间站“天宫”的核心舱段将会发射进入太空。再过两年,中国空间站望远镜(CSST)将会发射。届时,我们将会拥有一个比“哈勃”更强大的太空望远镜,相信海量的数据和更多激动人心的发现也将会随之而来。(谢诗涵)

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