银河系揭秘

编译 吴青

在清朗夜空下，抬头可见银河璀璨。壮丽无比的银河系，其实是星球、尘埃和气体旋转组合在一起的结果。人们自古以来就对夜空中的群星感兴趣，但对银河系的科学认识直到最近才正式开始。

银河结构 精细复杂

螺旋星系（示意图）

银河系结构（示意图）

银河系得名是因为我们从地球上能看见夜空中呈带状密集分布的群星，但实际上银河系是把我们完全包围的一个超巨大结构。地球夜空中的每颗星（包括太阳）都是它的一部分。早在伽利略时期，人们就认识到银河系是旋涡状的。2020 年，中外科学家绘制出最精确的银河系结构图，明确了银河系是一个具有四条旋臂的棒旋星系。

银河系的精细复杂结构历经数十亿年才演化出来。银河系中央有一个非常古老的凸起，其中包含银河系中大多数的古老恒星，它们是我们所在宇宙部位最初形成的恒星的残余。而在这个凸起的正中，有一个超大质量黑洞，这个黑洞是银河系的核心。在这个凸起的周围有一些主要由古老恒星组成的巨大棒状结构，正是它们在推动银河旋臂。

也许你会问：我们处在银河系的什么位置？科学家现在已经知道，太阳位于银河系中心和旋臂外端中间的位置。但这是太阳现在的位置。事实上，银河系的优雅结构正是银河系动态历史的证据，太阳在此过程中的位置也在变化。既然我们身处银河系内部，那么怎样才能观测整个银河系，探索它的历史？能够实现的办法是，我们必须能看到很远很远的地方。

银河系黑洞（示意图）

哈勃升空 银河现形

有关银河系形成机制的线索直到20 世纪90 年代才浮现。当时，主镜直径为2.4 米的哈勃空间望远镜（简称哈勃）升空，它不仅可以观察银河系，还可以观察比银河系还远很多的深空。哈勃能捕捉从很远之外的星系发出的光线，这相当于能够让我们回到过去，更清楚地看见不同的星系和早期的宇宙。

为了让我们“回到过去”，哈勃曾一连11 天“凝视”宇宙中一个小小的区域。通过哈勃的超深视场，我们才能看见宇宙中的各种星系。哈勃发现，宇宙中的星系数量以万亿计，星系形态复杂多样，有正以快得难以想象的速度产生恒星的星暴星系，也有质量不到银河系万分之一的矮星系，而矮星系是宇宙中最常见的星系。

星爆星系

哈勃的发现告诉我们，星系形成于宇宙极为活跃的时期，也就是宇宙刚开始形成后不久。在银河系形成之前，太空中有很多被称为“宇宙网”的巨大结构。氢气和氦气沿着宇宙网中的巨大暗条聚集，而宇宙网本身由神秘的暗物质构成。

哈勃望远镜

哈勃望远镜拍摄的银河系照片

创生星系 靠暗物质

宇宙网（模拟图）

暗物质有引力，且不发出光线。在银河系中，暗物质占据绝大部分质量。我们至今仍不清楚暗物质究竟是什么物质，但已经知道星系需要以暗物质作为“胶水”来让自己保持完整。第一批恒星是在宇宙网暗条交叉处暗物质最密集的地方形成的。在这些地方，被暗物质引力吸引来的大量气体堆积，然后在自身引力下坍缩，导致恒星诞生。由此产生的数万亿颗恒星被引力聚集在一起，环绕一个共同的质量中心，星系就是这样来的。从这个意义上说，是暗物质创生了星系。

银河系是宇宙中最早形成的星系之一，最初的银河系是被一条不可见的暗物质环包围的、由气体和恒星组成的旋转盘。在当时的宇宙中，正在形成的星系有几千亿个，其中几十个非常靠近银河系。随着时间推移，引力让这些星系更加靠近，共同组成本星系群。银河系的本星系群位于一个引力锁定区域，也就是说，因为受彼此引力影响，这些星系互相靠得很近，以致一些星系最终会碰撞、合并成一个更大的星系。

盖亚升空 精准测距

盖亚探测器（示意图）

在银河系形成30 亿年后，“银河”出现在银河系中首批行星的夜空中，但当时银河系恒星数量仅为今天的一半，而且当时银河系的形状没有今天规则。那么，银河系怎么会有旋臂？为了解答这个问题而发射的盖亚探测器（简称盖亚）可以直接观察银河系，并且可以测量恒星之间的实际距离。

为了实现这个目的，盖亚的设计者为盖亚设计了非常长的运行轨道，因此盖亚能在不同点位观测同一颗恒星，这被称为视差测量。为了完成视差测量，盖亚飞到了距离地球160 万千米的地方。它的任务包括为银河系中的10 亿颗恒星定位，这些恒星中有一半是首次被定位，因为在盖亚之前，科学家只能通过银河系的图像来推测恒星位置。

盖亚是第一部能精确定位恒星的探测器。那么，它是怎样做到这一点的？首先，它飞到一个遥远的引力平衡位置——L2。在这个引力稳定的地方入轨，它只需很少的燃料就能让自己保持稳定，以保留足够的燃料让自己在一个大轨道中环绕太阳运行。只需要喷射很少的氮推进剂，盖亚的望远镜就能一天完成4 次顺畅的360°旋转，让它每小时能进行超过150 万次观测。由此，只花了4 个月时间，它就把整个天空观测了一遍。

盖亚会采集宇宙中格外明亮的星体的数据，这些星体分布在从银河系中心到暗物质环再到环外的各个地方。在轨道中运行数百万千米后，盖亚完成了各恒星的多方位观测。在盖亚对宇宙进行了近两年不间断的扫描后，科学家运用三角测量法确定了超过10 亿颗恒星的位置，从而得到了迄今为止最精确的银河系地图——盖亚地图。

疑点浮现 究竟为何

盖亚的探测数据让科学家能立体地观察银河系，这种视角是前所未有的。在这之前，研究银河系的方法是通过电脑模拟和根据近似数据进行结构推测。这种传统方法误差较大，而盖亚则能辨明几千光年外的恒星在星团中的相对位置。

银河系本星系群（示意图）

盖亚不仅能精确测量天体位置，而且能观测天体的移动。也就是说，盖亚除了能对空间进行立体测绘外，还能捕捉另一个维度——时间的信息，这是盖亚反复环绕太阳的结果。盖亚有助于我们推算，恒星接近或远离地球的速度，这对于了解天体随时间的演化情况非常必要。科学家一旦知道恒星的运动状态，就能运用牛顿力学算出恒星运动方向，也可以根据恒星运动倒推恒星原来的位置。这一极具创新性的科学领域被称为星系考古。

盖亚的新探测数据有助于科学家发现银河系与银河系本星系群之间的交互模式。通过了解银河系的相邻星系，科学家发现星系并非静止不动。在引力的作用下，有的星系会相互靠近，有的则会相互远离。形象地说，引力让不同的星系“共舞”。

应该说，盖亚才刚开始揭示星系“共舞”的复杂步骤。当盖亚向地球传回首批数据后，科学家通过分析它们获得一个很奇怪的发现：银盘上一些恒星的旋转方向与绝大多数恒星的相反。这意味着，银河系中的恒星可能并非都诞生在银河系中，而可能是来自其他星系。

星系碰撞 银河变大

如果我们能回到100 亿年前，站在银河系早期形成的某颗行星上，就会看见天空中一个非常壮丽的场面——数十亿颗恒星向我们飞来，这是因为银河系即将与本星系群中的一个星系——盖亚-恩克拉多斯相撞。大小只有银河系1/4 的盖亚-恩克拉多斯被银河系吸引，同时也将给银盘造成混乱。

星系合并（哈勃图像）

听起来，星系碰撞很猛烈。但实际上，星系碰撞优雅得让人难以置信，这是因为星系中的大部分区域空空如也。当星系碰撞时，两个星系就像幽灵般相互穿过，发生恒星相撞的可能性很低。受星系引力影响，两个相撞的星系开始“共舞”：一个星系先奔向另一个星系，然后退回来。这好像是天空芭蕾。

但星系碰撞会改变星系结构，让恒星改变轨道，把气体推到其他地方。推动星系碰撞的背后动因仍然是暗物质。星系间的引力很大程度上由暗物质决定，因此暗物质也决定星系碰撞的强度，决定碰撞后星系的结构。在银河系形成了仅仅几十亿年后，其质量就已比盖亚-恩克拉多斯大许多。这样一来，银河系的引力就彻底压制了这个邻居。

由此，科学家首次证实银河系是逐渐变大的。

盖亚-恩克拉多斯星系与银河系

太阳起源 会在他乡？

为了查明太阳系为什么会在今天的位置上，科学家又开始追踪另一个不寻常星群的历史。以一条壮观的轨迹环绕银盘的这个星群，被叫作人马座星流。它是受银河系引力影响而延伸在夜空中的一个巨大的潮汐星流。这个星群得名于直到20 世纪90 年代才被发现的人马座矮星系，而该星系的大部分都是延展的两个星流，一前一后，延展距离可能达10 万光年。那么，这些星流为什么会如此分布？

因为有盖亚的探测，科学家得以确定人马座星流中恒星的运动方向和速度。由此他们首次发现，人马座星流其实是一个矮星系，是人马座矮星系坠入银河系的潮汐残余。通过探索人马座星流中的恒星，科学家认识到这场星系碰撞的历史：人马座矮星系在运行过程中逐渐靠近银河系，最终人马座矮星系中的恒星开始脱离该星系；当人马座矮星系经过银盘时，在银盘中砸出一个洞，于是人马座矮星系中的恒星最终变成人马座星流。

银河系运转（示意图）

人马座矮星系穿越银河系（示意图）

人马座星流（示意图）

可以说，是个头小得多的人马座矮星系“侵扰”银河系才产生了人马座星流，这与盖亚—恩克拉多斯和银河系的相撞相似。不过，人马座矮星系与银河系相撞的时机很有趣，因为这一相撞发生在太阳系刚刚诞生以后。碰撞后，人马座矮星系几乎毁灭，而银河系中被注入大量新鲜的低温气体。

恒星的形成基本上离不开低温气体。人马座矮星系给银河系带来的最重要的气体是氢气。星系中有很多氢气，虽然肉眼看不见它们，但科学家能利用射电望远镜通过观测气体辐射确定其存在。没有氢气，就不可能形成恒星。宇宙诞生后很快就有了氢气，氢气始终分布在整个银河系中，只是分布不均匀。在银河系中的一些地方，密集的氢云团延伸长度达50 万亿千米。科学家称这些地方为“恒星产房”。在这些地方，温度低得足以让氢气凝结。

恒星产房是所有星系中最大、最冷也最暗的区域，它们可能会发出微光，但这些地方也极度狂乱，磁场强度极高，带电粒子四处横行。氢被誉为宇宙的血液。在恒星中心，氢聚变成氦，这一过程会释放能量，导致恒星发光。

一个恒星产房（图片长度代表3 光年距离）

巨型飞船来到恒星产房地带（科幻图）

人马座矮星系撞上银河系，给银河系恒星产房带来了更多氢，引发了一轮新的恒星诞生潮。这个时期恰好是在46 亿年前太阳诞生时。也就是说，太阳的形成有可能得益于人马座矮星系与银河系的“相会”。

虽然人马座矮星系很小，其影响却很大。它在银河系中多次进出，与银河系复杂地纠结在一起，银河旋臂形成也可能与之有关。然而，它的影响迅速消退，这是由于它在碰撞过程中几乎毁灭，最终它被银河系中心几乎完全兼并，只留下少许痕迹。

恒星演化（示意图）

未来银河 面目全非

仙女座图像

当我们仰望夜空，很容易会以为银河系是静止的。然而，一个人甚至整个人类、整个地球的生命史在漫长的宇宙历史中就连一个瞬间都算不上。由于哈勃和盖亚的贡献，科学家终于知道银河系并非静态，而是经历过、并将继续经历碰撞和合并。

但人类很伟大。我们对银河系及其动态历史了解越多，就会越觉得不可思议：我们只环绕一颗恒星——太阳，却能弄明白银河系的历史。不仅如此，现在我们还准备揭示银河系的终极命运。

科学家发现，银河系与其他星系的碰撞并非罕见。那么下一次这样的碰撞会怎样？在宇宙图像上，哪怕一个很小的点也可能代表一个巨大的星系。例如，距离我们254 万光年的仙女座星系在宇宙图像上就只是一个很小的点。哈勃拍摄了该星系的多幅图像。与银盘相比，仙女座星系似乎微不足道，但实际上它是银河系本星系群中最大的星系。它也是一个螺旋星系，也在其漫长历史中吞噬过多颗小行星。

哈勃拍摄的图像表明，哪怕在仙女座星系的一个小小区域，也有上亿颗恒星。你可能会以为，如此看来仙女座星系和银河系很相似。然而，仙女座星系比银河系还大一半。不仅如此，仙女座星系正以每小时大约40 万千米的速度朝着我们飞来。在大约45 亿年后，它将与银河系相撞，届时银河系很可能将面目全非。

如果有人有幸目睹这场碰撞，那么将非常惊奇地看见恒星形成潮像焰火般点亮天空，随后天空逐渐黯淡下来。与之前其他星系和银河系的碰撞不同，由于银河系这次是相对弱者，因此两者会互相牵动、扰乱对方的旋臂，两者原有的结构都会改变，旋臂合并成极大的一个恒星群。

电脑模拟结果是，虽然这两个星系都将被消灭，但新恒星周围会形成新行星，其中会有像地球一样的行星。那时候，这些行星上的生命可能会发出和人类相同的疑问：我们来自哪里？我们在星系中的地位怎样？我们的未来会怎样？

让我们把目光放得更远：银河系附近本星系群中所有的星系最终都将合并成一个巨大的星系，孤独游弋。随着宇宙膨胀，星系群之间的距离越来越大，很多星系将因此淡出视野。

虽然科学家对银河系的了解越来越深入，但宇宙奥秘依然无穷无尽：宇宙中有其他生命吗？宇宙从古至今是否有过其他生命，或者将来是否会出现其他生命？什么是暗物质？什么是暗能量？暗能量怎样影响宇宙，尤其是怎样影响银河系和太阳系？

我们希望知道这些问题的答案，希望了解自己的起源和最终命运，因为我们喜欢探索奥秘，而宇宙当然是最大的奥秘。

银河系在遥远未来可能会与仙女座相撞（示意图）