早在上世紀(jì)50年代，人們就已發(fā)現(xiàn)銀河系并不是一個(gè)平坦的圓盤(pán)，而是如翹曲的炸薯片，越是邊緣越翹，這大大超出了傳統(tǒng)認(rèn)知。2019年，我國(guó)科學(xué)家首次給出了銀河系翹曲結(jié)構(gòu)的直觀三維地圖，引得70多個(gè)國(guó)家的上千家科學(xué)媒體關(guān)注。

然而，關(guān)于為什么銀河系會(huì)這樣“翹”，長(zhǎng)期以來(lái)有種種假說(shuō)，莫衷一是。最近，《自然·天文學(xué)》期刊的一篇論文，再次將人們的目光聚焦到這個(gè)問(wèn)題上。研究顯示，銀河系的翹曲結(jié)構(gòu)，或許與某一星系的碰撞有關(guān)。新的研究，也為科學(xué)家們探尋銀河系的形成和演變，揭開(kāi)浩瀚宇宙的更多奧秘提供了新的視角。

堅(jiān)持不懈“看清”銀河系

“銀河宛轉(zhuǎn)三千曲，浴鳧飛鷺澄波綠。”這是宋代著名詞人周邦彥對(duì)銀河系的描述。

自古以來(lái)，夜空中美麗的銀河光帶，引發(fā)了人們無(wú)數(shù)的想象，許多詩(shī)句和神話也由此傳出。然而由于客觀條件的限制，古人對(duì)銀河的認(rèn)識(shí)，并無(wú)太多科學(xué)依據(jù)。

直到1609年冬，伽利略首次通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，銀河由密密麻麻眾多暗星集聚而成，并非是一片發(fā)光的薄云。1750年，英國(guó)人萊特提出，銀河系內(nèi)所有恒星構(gòu)成了一個(gè)巨大的扁平圓盤(pán)狀系統(tǒng)，這是天文學(xué)家對(duì)銀河系主體具有盤(pán)狀外形的首次描述。此后，英國(guó)天文學(xué)家威廉·赫歇爾花了十多年的時(shí)間，用望遠(yuǎn)鏡對(duì)銀河系進(jìn)行了1083次觀測(cè)。在此基礎(chǔ)上，他提出若干理論假設(shè)，建立了天文學(xué)歷史上的第一個(gè)銀河系模型，不僅證實(shí)了銀河系的客觀存在，同時(shí)也是繼哥白尼日心說(shuō)之后，天文學(xué)歷史上的又一個(gè)重要里程碑，赫歇爾也因此被譽(yù)為“恒星天文學(xué)之父”。人類的視野也隨之從太陽(yáng)系拓展到更為深邃的銀河系。

科學(xué)家認(rèn)為，由于角動(dòng)量守恒，許多星系在形成的過(guò)程中都會(huì)呈現(xiàn)出一種扁平的結(jié)構(gòu)，因此認(rèn)定銀河系也當(dāng)如此，類似于一個(gè)巨大的扁平銀盤(pán)。但事實(shí)上，據(jù)大量觀測(cè)表明，大約三分之一的河外盤(pán)星系都或多或少地呈現(xiàn)出翹曲形狀。1957年，天文學(xué)家通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在銀盤(pán)外緣、銀心距大于4萬(wàn)光年的地方，中性氫(HI)氣體并非對(duì)稱分布于銀道面的兩側(cè)，而是表現(xiàn)出像裙擺那樣翹起的所謂“翹曲結(jié)構(gòu)”，這一結(jié)果很快被后續(xù)多項(xiàng)更詳細(xì)的研究所證實(shí)。

2019年2月，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)的陳孝鈿、鄧?yán)畈叛芯拷M和北京大學(xué)王舒研究組等，基于經(jīng)典造父變星構(gòu)建了一個(gè)穩(wěn)健的銀河系盤(pán)模型，給出了銀河系翹曲結(jié)構(gòu)的直觀三維形象，再次刷新了人們對(duì)銀河系的認(rèn)知。他們發(fā)現(xiàn)，距離銀河系中心越遠(yuǎn)，造父變星就越偏離銀盤(pán)面，整體呈“S”形;同時(shí)，從銀心向外的翹曲呈現(xiàn)出復(fù)雜的進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象，這也對(duì)揭示銀河系外盤(pán)起源提供了決定性的觀測(cè)證據(jù)。

半人馬座矮星系嫌疑最大

那為何銀河系的形狀并不是規(guī)則的圓盤(pán)，而是總體呈翹曲形狀呢?為了弄清楚銀河系的奧秘，歐洲航天局部署了一項(xiàng)宇宙科學(xué)任務(wù)。

2013年12月19日，蓋亞空間望遠(yuǎn)鏡在法屬圭亞那成功發(fā)射升空，飛往距地球150萬(wàn)公里的拉格朗日L2點(diǎn)——這也是太陽(yáng)和地球引力的平衡點(diǎn)之一，在太陽(yáng)與地球連線外側(cè)，由于背對(duì)太陽(yáng)受干擾較少，適合安放太空望遠(yuǎn)鏡等空間探測(cè)設(shè)備。這個(gè)太空新成員的使命是觀測(cè)銀河系中約10億顆恒星的位置和運(yùn)動(dòng)，繪制迄今最精確的銀河系三維地圖，希望能夠幫助解答有關(guān)銀河系起源和演化的問(wèn)題。

“通過(guò)蓋亞空間望遠(yuǎn)鏡，人們進(jìn)一步證實(shí)了以前認(rèn)為是水平的銀河系銀道面，實(shí)際上是一種一頭高、一頭低的翹曲結(jié)構(gòu)。太陽(yáng)系所在位置的銀盤(pán)厚度約為500光年，太陽(yáng)位置以外翹曲的程度大約是偏離銀道面4500光年，在對(duì)應(yīng)另外一端銀盤(pán)的厚度大約是3000光年。”中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)高級(jí)工程師陳東向科技日?qǐng)?bào)記者介紹說(shuō)。

這項(xiàng)新研究的主要作者、意大利都靈天體物理觀測(cè)站博士生埃洛伊薩·波喬在給歐洲航天局的一份聲明中稱：“我們通過(guò)模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，以此來(lái)測(cè)量翹曲的速度。根據(jù)模擬結(jié)果，這一翹曲將在6到7億年內(nèi)繞銀河系中心完成一次旋轉(zhuǎn)。”相比之下，太陽(yáng)繞銀河系運(yùn)行大約需要2.2億年。

“此前有人提出，暗物質(zhì)、磁場(chǎng)等或是造成這種翹曲結(jié)構(gòu)的原因，但是后來(lái)發(fā)現(xiàn)，暗物質(zhì)等因素?zé)o法解釋這種結(jié)構(gòu)在未來(lái)6到7億年內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度，并且這個(gè)速度貌似還在隨時(shí)間變化。”陳東說(shuō)。

于是，科學(xué)家提出了一個(gè)令人難以置信的猜想：翹曲結(jié)構(gòu)或許源自銀河系與其他星系的碰撞。可如果翹曲結(jié)構(gòu)真的與星系碰撞有關(guān)，那到底是哪個(gè)星系跟銀河系曾經(jīng)有過(guò)“親密接觸”呢?

陳東打了一個(gè)形象比方：“目前一種最自洽的解釋，是銀河系附近大質(zhì)量矮星系的碰撞引起了空間扭曲——這種情況類似在平靜的水面上漂浮著一個(gè)球，我們將一塊石子投到漂浮小球的水面附近，水面因石子的投入而產(chǎn)生漣漪，上下震蕩，帶動(dòng)漂浮水面的小球也上下震蕩。”他認(rèn)為，銀河系的一個(gè)衛(wèi)星星系——半人馬座矮星系嫌疑最大。此前的研究表明，它的確曾經(jīng)幾次縱穿銀河系圓盤(pán)，而且可能正在被銀河系吸收。

陳東認(rèn)為，此種碰撞對(duì)兩個(gè)星系內(nèi)的天體均有很大影響。因?yàn)樘祗w正面相撞的幾率非常小，這種影響主要集中在運(yùn)動(dòng)軌道的改變、局部物質(zhì)密度的擾動(dòng)等方面。蓋亞空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，大約在62億年至42億年前，人馬座矮星系和銀河系初次相撞，導(dǎo)致了銀河系內(nèi)氣體物質(zhì)的擾動(dòng)。

當(dāng)然，到底是不是半人馬座矮星系的碰撞引起了銀河系外圍的結(jié)構(gòu)變化，目前仍是一個(gè)謎，科學(xué)家們還將對(duì)此展開(kāi)更深入的研究。為此，蓋亞空間望遠(yuǎn)鏡研究小組透露，可能在2020年或2021年，他們還將提供一批新的數(shù)據(jù)，希望在那時(shí)能夠“還原事實(shí)真相”。

3次碰撞“孕育”恒星

蓋亞空間望遠(yuǎn)鏡收集的數(shù)據(jù)，不僅揭示了人馬座矮星系對(duì)銀河系的影響，碰撞產(chǎn)生的漣漪似乎引發(fā)了主要的恒星形成事件，其中太陽(yáng)的形成與我們息息相關(guān)。

此次研究團(tuán)隊(duì)的天體物理學(xué)家托馬斯·魯伊斯·勞拉介紹，他們的一項(xiàng)新研究揭示了57億年前的銀河系往事——銀河系或與半人馬座矮星系發(fā)生過(guò)3次碰撞，第一次碰撞就產(chǎn)生了太陽(yáng)，因?yàn)樘?yáng)的年齡與因半人馬座矮星系碰撞效應(yīng)而形成的恒星年齡一致。

在對(duì)蓋亞空間望遠(yuǎn)鏡傳回的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行研究以后，他們將銀河系內(nèi)大量恒星的光度、距離和顏色，與現(xiàn)有的恒星演化模型進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在過(guò)去大約60億年的時(shí)間里，銀河系恒星的形成主要集中在三個(gè)時(shí)期，并在57億年前、19億年前以及10億年前達(dá)到峰值，而這恰好就是銀河系與半人馬座矮星系碰撞的時(shí)間點(diǎn)。

該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這并不是巧合，而是大有因果關(guān)系。托馬斯認(rèn)為，在這段時(shí)間里，銀河系本身是比較穩(wěn)定的，但半人馬座矮星系的到來(lái)，打破了這種平衡，所產(chǎn)生的“漣漪”會(huì)導(dǎo)致銀河系的某些區(qū)域出現(xiàn)較高的物質(zhì)密度，而在另一些區(qū)域里的物質(zhì)則會(huì)變得稀疏，在引力的作用下，氣體和塵埃就會(huì)開(kāi)始大量聚集，并最終形成耀眼的恒星，太陽(yáng)正是其中一顆。