盖亚绘制星图发现银河系隐藏历史 还将揭示暗物质秘密

去年四月，Amina Helmi开车去荷兰北部工作时忍不住起了鸡皮疙瘩，这与天气无关，纯粹是种预感。因为就在几天前，欧洲航天局(ESA)的盖亚任务发布了大量数据，该任务绘制银河系已有五年。格罗宁根大学的天文学家和Helmi的团队正在加紧梳理这些数据，以便在其他人率先有所发现之前，对银河系有更深入的了解。

Helmi和同事们挑灯加班，兴奋之中几乎无法入睡，隐约感觉到自己正在做的事情意味着什么。这个团队已经发现了一组3万颗脱节的恒星。与银河系主体中的其他天体不同，它们的轨道是一个相对平坦的圆盘形状，这些不守规矩的天体正在向后移动，轨道将它们带出了银河系平面。

几周之内，该团队发现，这群发光的恒星指向了银河系历史上一个隐藏已久、尤其动荡不安的篇章：年轻的银河系与一个巨大的星系之间的碰撞。这只巨兽曾经像行星绕着恒星一样绕着银河系转，但在大约80亿到110亿年前，它们相撞了，极大地改变了银河系的圆盘，并将恒星远远地分散开来。在呈现出今天我们所熟悉的螺旋形之前，这就是我们所知的最后一次银河系大碰撞。

尽管这场古老的碰撞事件的信号几十亿年来一直被隐藏着，但天文学家们最终还是通过盖亚的数据集发现了它。“能够在银河系的历史上找到如此重要的里程碑真是难以置信。”Helmi说。

多亏了盖亚，这些具有里程碑意义的发现正变得司空见惯。这项任务的目标是对10亿多颗银河系恒星进行编目，记录它们的亮度、温度、年龄、位置和速度。最后两个属性对天文学家尤其有启发意义:在盖亚之前，科学家缺乏对许多恒星距离的高精度测量，以及所谓的固有运动，即恒星在天空中的运动。利用这一关键信息，研究人员可以像Helmi和她的同事们所做的那样，寻找一组沿着共同历史轨迹运动的天体。恒星的速度还可以帮助天文学家追踪暗物质的影响。暗物质是一种不可见的、仍然神秘的物质，构成了银河系的大部分质量，并利用其引力使恒星的路径发生弯曲。

自盖亚2018年4月发布数据以来，已有数百篇论文由此诞生。他们描绘了一幅比以前想象的更具动感和复杂性的银河系画面。银河系中充满惊喜，包括暗物质团块的迹象，最终可能让科学家更好地掌握这种阴影物质的特性。英国剑桥大学的天文学家Vasily Belokurov说，这些早期的、容易观测的发现已经发生了翻天覆地的变化，然而它们仅仅是即将发生的事情的一个缩影:“我们对银河系的看法已经有了明显的变化。”

颠覆过去

太阳系位于银河系的边缘，距离银河系中心大约8,000秒差距(26,000光年)，位于一个名为猎户座的二级螺旋臂上。天文学家必须从这个高处，望着夜空中巨大的星空带，绘制出银河系的结构。到了二十世纪中叶，他们绘制了一幅大略的图画，确定银河系的恒星分布在一个中央凸起处，由蛇形恒星臂包裹，周围是一层薄薄的球形晕圈。在20世纪70年代和80年代，研究人员推断出这种结构是如何在数十亿年的时间里形成的，开始于大量的暗物质、气体和尘埃。可见的组成物质坍塌成一个圆盘状结构，然后吞噬较小的卫星星系而膨胀。天文学家后来通过使用地面望远镜重复拍摄整个夜空来填充细节。这样的调查让科学家们能够更近距离地观察大型星系物体，比如恒星晕，在那里他们发现了一些小型星系的残骸，这些残骸被拉伸成星系团的碎片流。

但是，基于地面的调查为天文学家提供了有关银河系结构的大量信息，主要是因为地球湍流大气层的模糊限制了恒星距离的精确测定。虽然恒星朝向或远离地球的速度可以通过颜色的变化来测量，但要分辨出它们的正常运动 - 以及它们的整个三维速度 – 是很难的，因为在人类时间尺度上，大多数天体在天空中移动的速度非常小。这个问题掩盖了许多恒星之间的关系，这些关系可以通过它们运动中的相似性来揭示。

耗资大约7.4亿欧元(8.44亿美元)的盖亚任务于2000年获得批准并于13年后启动，旨在填补这些空白。围绕太阳的轨道比地球稍微远一些，宇宙飞船从其轨道的不同位置捕捉到相同的恒星。这允许天文学家通过称为恒星视差的量来测量距离，视差是指随着视角的变化，天体在天空中表观位置的微小变化。 ESA的Hipparcos卫星于1989年至1993年间运行，收集了类似的视差数据。但盖亚的精确度最终会高出100倍。由于它的灵敏度，它可以更深入地探测银河系：在它观测到的10亿多颗恒星中，99%的恒星的距离从未被精确地测量过。

在一项计算密集型工作中，盖亚的研究人员已经建立了一张图，上面是望远镜观测到的每颗恒星相对于其他恒星的位置。这使得研究小组能够测量恒星在天空中移动的速度——它们的固有运动。然后，通过测量恒星颜色的微小变化，天文学家就可以知道这些天体在卫星的视线内移动或远离卫星的速度有多快。两种测量值的结合，加上从盖亚计算出的距离，提供了恒星的完整三维运动。盖亚可以测量它所看到的最亮恒星的视线运动，但地面望远镜将帮助测量其余恒星。了解每颗恒星的位置和走向，让研究人员能够快速梳理出隐藏的银河系历史。

这就是Helmi和她的同事们研究的远古碰撞的例子。在其研究中，来自新墨西哥州地面斯隆数位巡天(SDSS)的数据支持了他们发现的恒星群具有共同起源的证据。该数据显示，该星系的所有成员都具有类似的化学成分。研究小组为这个撞击的矮星系命名为盖亚-恩克拉多斯(Gaia-Enceladus)，该星系被认为是这些恒星的家。希腊神话中恩克拉多斯是盖亚之子。

正如所发生的那样，Belokurov和他的同事也利用2016年盖亚发布的初步数据找到了碰撞的证据。这些数据不包括正常运动读数，但通过将数据集中的恒星位置与十年前SDSS观测数据进行比较，研究小组可以看到恒星在这段时间内是如何运动的。他们注意到一群天体沿着偏心轨道一起运动，最终将把它们从星系中心带到边缘。它们似乎源自一次重大的撞击，由于金属含量相似，它们有着共同历史显而易见。由于绘制出的速度曲线呈香肠状，研究小组将恒星曾经的家园——古老的矮星系命名为“盖亚香肠”。

双重命名导致了社区的一些混乱。但无论这个矮星系叫什么，古代的碰撞都可能成为银河系永恒之谜的线索。 银河系的圆盘有两个组成部分 - 一个包含气体，灰尘和年轻恒星的薄内圆盘，像奥利奥的夹心一样，一个厚厚的外圆盘内，几乎完全由老恒星组成。天文学家一直在争论，究竟是厚盘首先形成出现，然后气体和灰尘冷凝下来形成一个更薄的核心，还是这个结构开始时是一个薄盘，然后部分膨胀。因为盖亚-恩克拉多斯-香肠在撞击过程中是银河系的重要部分，它会在银河圆盘中沉积大量能量，加热并膨胀。 Helmi的小组认为这是支持膨胀理论的标志，也是银河系发生剧烈扭曲的证据。

知识爆炸

利用盖亚的数据，我们可以以如此之快的速度得出以前难以理解的结论，这让研究人员大吃一惊。纽约市哥伦比亚大学的天文学家Kathryn Johnston回忆起4月份数据发布后第二天，一篇论文的发表引起了轰动。该论文展示了大约600万颗恒星在太阳附近的运动，是如何以一种类似蜗牛壳的奇特螺旋模式排列的。

Johnston说，这种模式似乎是一种指纹，由一个名为射手座的小型卫星星系盖印。射手座每次近距离俯冲时，它的引力就会扰乱银河系的恒星，这会在圆盘中产生摆动和涟漪。研究人员之前曾猜测过这些印记，但盖亚数据似乎是射手座造成影响的第一个清晰而令人信服的信号。 “对我而言，这是一个令人惊叹的时刻。” Johnston说，“螺旋很清晰。它看起来像是理想化模拟的理论预测，而不是真实的数据图。”

感谢盖亚的眼睛，这种扰动不仅突显出来，而且还讲述了银河系过去的不同故事。以前，大多数天文学家都认为，虽然银河系的外晕经历了与较小的卫星混乱的碰撞历史，但主要的大部分生活相当平静。螺旋臂和一串被认为穿过中央凸起的恒星的特征，通常被视为银河系内部动力学的产物。但似乎由射手座引发的摆动表明，外部力量对银河系的形状的影响比以前认识的要大。

新泽西州普林斯顿大学的天体物理学家Adrian Price-Whelan表示，盖亚正在迫使研究人员重新审视一些用于简化模型的经典假设。“我们知道这些假设是错误的。”他补充道，“盖亚现在告诉我们到底错在哪儿。”

绘制黑暗面

绘制银河系的发光天体也可以揭示暗物质，暗物质可能占银河质量的90%。理论家怀疑我们的银河系位于一个巨大的、大致呈球形的暗物质晕内，与普通物质非常相似，由于引力作用，这些暗物质聚集在一起，形成较小的结构。宇宙模拟表明，成千上万的大型暗物质团块绕着银河系轨道运行，偶尔会被中心的大量暗物质吞噬，这一过程类似于银河系吞噬其可见小卫星的过程。

绝大多数暗物质子结构被认为含有很少或没有恒星，这使得它们很难被探测到。但盖亚可能在GD-1中找到了一个线索，这是2006年发现的一长串恒星，横跨北方一半的天空。这种仔细观察这一恒星流会发现并不陌生，但盖亚使马萨诸塞州剑桥市哈佛 - 史密森尼天体物理中心的Price-Whelan和天文学家Ana Bonac十分有信心地挑选出该物质的真正成员。去年11月，他们和另外两位同事发现了结构特征，包括明显的裂缝，可能是大约5亿年前与大型天体相遇的伤痕。随着假定的扰动者越过恒星流，它可能会通过引力牵引一些恒星，使它们领先于它们的同伴，从而将这列恒星分开。

Bonaca说，最可能的罪魁祸首似乎是一个密集的暗物质团块，可能是太阳质量的一百万到一亿倍。这一估计可能会对暗物质的物理模型产生影响。暗物质粒子的质量有助于决定它的移动速度，反过来又决定它易于形成的团簇的大小。 Bonaca表示，GD-1扰动器的大小在一个有趣的范围内，可以消除质量相对较低的假设暗物质候选物。

Bonaca和她的团队现在有兴趣使用盖亚数据来确定恒星流中受干扰的恒星的速度，这可能指向假定的暗物质团块的轨道。如果她们能够确定今天可以找到它，就可以发现它对其他物质的引力效应。或许她们可以在现场训练γ射线望远镜，寻找暗物质粒子相互消灭或衰变的证据，这些过程可以发射出高能光子。这两种技术都可以提供对隐形物质物理特性的更直接的探测。

然而，Price-Whelan表示很难从一个例子中推断太多。他希望使用盖亚数据和未来天文台的系统研究 —— 例如智利的地面大型天气调查望远镜，预计将在20世纪20年代初开始收集数据 —— 将揭示更暗的恒星和其他恒星流。如果这些恒星流中的一些也显示出遇到暗物质团块的影响，它们可以让天文学家更好地了解这些星团的丰度和大小，将有助于确定暗物质的特性。

天文学家希望盖亚关于恒星运动的数据也能帮助他们绘制出银河黑暗面的大致形状。根据其构建的粒子类型，银河系的暗物质晕可能具有不同的球形或对称性。 Belokurov预计盖亚在当地恒星轨道上的信息将足以在未来2 - 4年内描绘出暗物质晕的总体质量和形状。

这些发现不仅限于银河系。关于银河系历史和暗物质分布的结论将反馈到宇宙学模型中，用于探索宇宙大型结构如何发展和变化。盖亚已经获准首次任务延期至2020年底，荷兰莱顿大学的天文学家Anthony Brown担任该任务的数据处理和分析联盟主席，他认为卫星可以继续收集数据，直到2024年，总计十年任务。他说，这一延期将为盖亚测量其目前追踪的恒星的固有运动的精度提供三种因素改进。它还能提供关于更遥远恒星的信息。

盖亚最终带给我们什么尚未书写完，但所有迹象表明它将是实质性的。诸如由SDSS进行的全天空调查的数据，在完成十年或更长的时间后，继续提供有关宇宙的富有成果的发现。随着盖亚的目录变得越来越大、越来越详细，Helmi期待着银河系的历史能够得到进一步的完善。“我觉得最令人兴奋的一件事是。”她说，“我们刚刚开始真正挖掘过去。”