星流

苗千

这种宇宙级的美感和浪漫让人感叹。实际上银河系中的恒星并不都是诞生自银河系，也有一些是银河系从其他星系中“掠夺”而来。星流所呈现的恒星结构，记载的往往是一段段星系之间大鱼吃小鱼，相互吞噬的惨烈历史。如今，天文学家们正试着通过观察这些星流的状态来深入研究我们所居住的银河系以及整个宇宙演化的历史。

NASA发布的一张由哈勃天文望远镜拍摄的星流图像

宇宙中众多的星系是从何而来？以前天文学家们认为是在宇宙大爆炸之后，在暗物质的引力作用下，普通物质逐渐聚集形成的。但是随着理论天文学的发展，天文学家们通过越来越先进的计算机和算法，对整个可观测宇宙中数以万亿计的星系演变过程，以及单个星系的形成过程进行更为细致的模拟分析，发现如银河系这样的棒旋结构并非“自然形成”，而是在吞并了多个小星系之后逐渐形成的。至今仍然有数百个小星系围绕在银河系的周围，但在这片宇宙区域，更多的小星系已经在宇宙漫长的历史中被银河系吞噬，留下的少许痕迹唯有星流。

“不识庐山真面目，只缘身在此山中。”地球本身就处于银河系一条悬臂的外侧，想要认识银河系的结构并不容易，因此天文学家们最先是在外星系发现了星流。随着天文学探测的精度越来越高，越来越多银河系的星流也被发现了。地面上的“斯隆数字巡天”（Sloan Digital Sky Survey）项目和“暗能量巡天”（Dark Energy Survey）项目已经发现了数十个银河系中的星流。在2018年4月欧洲空间局盖亚（Gaia）探测器所公布的太空探测数据中，包含了银河系中1%的恒星所处的位置和运动速度，这给了天文学家们更多的机会寻找星流。

在银河系内部，最先被发现的是人马座星流（Sagittarius Stream），这是一个矮星系被银河系的引力所撕裂之后留下的痕迹。人马座星流对于天文学家并没有太大价值，这个星流中的恒星已经大多与银河系混为一体，不易分辨。除了纯粹的美感之外，天文学家试着利用星流来解答一些实际问题，比如说银河系有多重。想要解决这些问题，最好能够找到稀疏且狭长的星流作为研究对象。

银河系究竟有多重？这个问题不容易回答。银河系在宇宙中横跨了十多万光年的距离，含有几千亿颗恒星，居住其间的人类估算起来误差可能会大得离谱。想要估算银河系中心区域的质量，可以通过观察围绕在中心区域运转的天体的运动速度，利用牛顿力学进行大致的估计。可是，一方面这些天体往往并不是沿一个圆周运行，另一方面，银河系的大部分质量实际上并不是集中在中心区域的可见物质，而是在外围“星系晕”区域的暗物质。暗物质究竟如何分布，人们至今还不清楚。此前天文学家对于银河系整体质量的预测在5000亿个太阳质量与2.5万亿个太阳质量之间，误差不可谓不大。

银河系边缘的矮星系和球状星团的运行轨迹也可以反映出银河系的整体质量，但是相比之下天文学家很难掌握它们的运行轨道。利用这些天体进行估算，银河系的整体质量最低是7000亿个太阳质量，最高则是这个数字的几倍之多，误差仍显太大。

人们需要在银河系的边缘找到一些遥远且稀疏的星流作为参照，通过星流的整体形状以及恒星的运动轨迹来判断整个星系的质量。通过加州理工学院的天文學家卡尔·格力尔迈尔（Carl Grillmair）与同事奥迪西斯·迪奥那托（Odysseas Dionatos）共同发现的第一个星流GD-1，加上在2001年通过“斯隆数字巡天”项目发现的星流Pal5，天文学家对银河系的整体质量进行了计算，大约为7000亿个太阳质量。

可以与之对照的，是在得到了2018年盖亚探测器第二次的银河系探测数据之后，另外一组科学家也对银河系的整体质量进行了估算。2018年9月，英国杜伦大学和美国麻省理工学院的一组天文学家在《皇家天文学会月报》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）杂志发表论文《通过卫星动力学计算银河系的质量》（The Mass of the Milky Way from Satellite Dynamics），这些科学家通过星系的模型和盖亚的数据进行计算，银河系的总质量大约是1万亿个太阳质量，误差范围为20%，这个数字与利用星流进行的估算相对接近。

利用银河系周边星流的形状和恒星的运动状态，天文学家们还试图以此来研究银河系中暗物质的分布状况，因此更多在银河系边远地区的星流被纳入到研究范围内。通过分析盖亚的探测数据，天文学家们在GD-1星流上发现了一个缺口，这让一些人又惊又喜，因为此前正是有理论模型预测了这种情况的出现。

2018年8月，普林斯顿大学的天文学家阿德里安·普莱斯-惠兰（Adrian Price-Whelan）与耶鲁大学的天文学家安娜·博纳卡（Ana Bonaca）在《天文物理期刊》（The Astrophysical Journal Letters）杂志发表论文《一条偏僻小路：盖亚解释了GD-1的恒星偏离星流》（Off the Beaten Path：Gaia Reveals GD-1 Stars Outside of the Main Stream）。在论文里，作者预测在星流上出现的缺口，实际上是其与主要由暗物质构成的矮星系相撞的结果。通过对这样的缺口进行分析，就有可能更准确地判断银河系内暗物质的分布状态。

越来越多的天文学家意识到了星流对于研究星系的形成过程和性质的重要价值。随着探测数据积累得越来越多，科学家们开发出了算法，让计算机代替人自动寻找星流。更多的星流必将揭示银河系中更多的秘密。因为星系的尺度远超人类的想象，其中所蕴含的奥秘，解答奥秘所需要的线索，往往也都超出人类的想象。因此，每当人类对银河系的认识更深入一分，也就能够激发出一分超出人类经验之外的美感。这些动辄数万光年长的星流，如同一个庞大星系的点缀饰品，却又记载着星系间相互吞噬的惨烈。这样一种宇宙发展的历史，又难以不让人想到人类社会发展的历程。

（本文写作参考了《科学》杂志的报道）