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恆星流，銀河系的星際戰俘
（2007年07月08日 14:15）
來源︰《環球科學》2007年第5期
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□作者:
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撰文 羅德里戈•伊巴塔(Rodrigo Ibata)
布拉德•吉布森(Brad Gibson)
翻譯 謝懿
審校 趙剛
星際移民
小星系一旦靠近巨星系，就會受到強大的引力潮汐作用，逐漸扭曲、瓦解，並被拉成縴細而壯觀的星流。
發現這些星際移民，需要一雙銳利的眼楮。從理論上說，這些恆星會排成長長的一串(也就是星流，stream)，從而暴露自己的行蹤，就像擁擠舞池中的康加舞隊一樣(康加舞起源于拉丁美洲，舞者會排成一個長隊一起舞蹈)。逆流追溯，有些星流會通向球狀星團或者銀河系的某個衛星星系——那里大概是星流中恆星的發源地，有些星流則通往那些發源地如今僅存的遺跡。但實際上，由于“土著居民”相對均勻地分布在銀河系中，星流幾乎無法從點點繁星中突顯出來，也就很難被人發現。為了克服這一難題，最近許多研究人員都采用了“匹配過濾”技術(matched-filter technique)，這是第二次世界大戰時期開發出來的技術，當時被用來獲得來犯敵機的清晰影像。只要知道了土著恆星和“星際移民”的大致形態，這項技術就能過濾掉前者，讓星流顯現出來。
本文作者之一伊巴塔及同事在1994年發現的人馬座星流，可能是最令人印象深刻的已知星流。這條星流宛如一串巨大的恆星項鏈，環繞在銀河系周圍。它的跨度超過100萬光年，包含了大約1億顆恆星，一直連接到人馬座矮橢圓星系(Sagittarius dwarf elliptical galaxy，“矮”是指星系規模很小，“橢圓”是指星系形狀呈橢球狀)。銀河系周圍與它類似的小星系共有15~20個，它們就像衛星繞著行星一樣圍繞銀河系旋轉(因此又被稱為衛星星系)。這些衛星星系大小不等，既有質量約為銀河系十分之一的大麥哲倫雲(Large Magellanic Cloud)，也有質量為銀河系百分之一的人馬座矮星系，甚至還有質量僅有銀河系百萬分之一的暗弱星系。
居住在銀河系附近可不是一件舒服的事情。這些小星系會逐漸變形，並被最終瓦解。人馬座矮星系已經垂死掙扎了幾十億年，現已經走向瓦解。它的恆星將散落在整個銀河系中，現在這樣的星流也會逐漸消失，未來的天文學家將很難把它們與銀河系的土著恆星區分開來。其他幾個小星系也正在被銀河系肢解，有些現在只剩下了一條星流(見第81頁的表格)。大麥哲倫雲則代表了另一類較為少見的現象——銀河系從那里奪走的是氣體，而不是恆星。
星系瓦解背後的機制是引力的潮汐作用，這是我們非常熟悉的，同樣的機制在地球上產生了海洋的潮起潮落。一個天體的不同部分經受不同的引力作用時，潮汐力就會產生。月球對地球朝向它的一面所施加的引力，比對背向它的一面施加的引力更大。兩個力之間的差異盡管很小，不足以扯碎地球，卻足以讓海洋微微隆起。隨著兩個天體的相互繞轉，海洋的隆起部位也會跟著轉動，使地球上某一地點的海平面出現周期性的抬升或降低。與此類似，銀河系也會在衛星星系或星團的一側，施加比另一側更大的引力作用，使它們扭曲變形。在這樣的作用下，衛星星系或星團中的恆星會逐漸被銀河系拖走(見下圖所示)。久而久之，衛星星系失去的恆星就會越來越多。這些恆星像面包上掉落的面包屑一般，在衛星星系的前後形成了長長的尾巴。
更微妙的線索
星流會被銀河系逐漸吸收，最終化為無形。然而六維相空間中的微妙線索，卻能在茫茫星海之中，找到這些“星際移民”的蛛絲馬跡。
如此看來，人馬座矮星系等衛星星系在銀河系的構建過程中做出過貢獻。這些發現徹底改變了天文學家原先對星系形成的理論認識︰他們曾經認為，所有的星系都直接起源于原始宇宙中幾乎察覺不到的物質密度漲落(天文學家觀測證實，早期宇宙各處的物質密度幾乎相同，僅有大約萬分之三的差異)，其後便經歷了早期的雪崩式生長，很快演化成現在這副模樣。現在，基于對星流的觀測，研究人員普遍認為，只有質量不超過10億倍太陽的矮星系經歷了這樣的快速形成過程；像銀河系這樣質量相當于千億顆太陽的大型星系，則是後來通過吸積和吞並矮星系而逐漸形成的。這種吞並過程一直持續至今，不過強度已大不如前。
銀河系吞噬近鄰星系的過程被天文學家抓了個正著，他們又提出了更加深入的問題︰這些古老的星系“建築原料”具有什麼樣的化學組成？現在的大型星系中“星際移民”和“土著居民”的比例是多少？這些小星系帶來的化學元素如何改變銀河系早期的演化歷史？這些星流就像化石一樣，記錄著星系構建的歷史，除此之外，它們還能在探測暗物質方面大顯身手(見下頁短文)。
要弄清這些問題，天文學家不僅需要了解哪些恆星正在被銀河系掠奪，還要知道哪些恆星是已經被俘虜過來的。研究人員遇到的困難在于，一旦外來的恆星和氣體混入銀河系，我們就無法通過特有的空間分布來識別它們。天文學家必須找到更微妙的線索，來追溯這些恆星的起源，例如它們的運動模式和化學組成上的一些難以抹去的固有特征。
我們都習慣用位置和速度來刻畫物體的運動。但運動還有其他不同的特性，可以用諸如能量和角動量之類的物理量來描述。正如物體的空間位置能夠用3 個坐標來描述，因此被稱為三維空間一樣，我們也可以用位置加上動量(一共6個物理量)來描述物體的運動狀態，這個抽象的六維空間被稱為相空間(phase space)。相空間的優點在于，與真實空間相比，恆星在相空間中的排列模式更有還原性(這里是指經歷巨大變化之後恢復原狀的能力)。盡管星系的吞並消化過程通常會破壞星流的空間結構，卻無法抹去它們在相空間的整體結構[這就是統計力學中的一個重要原理——劉維定理(Liouville's theorem)]。
因此，通過測量能量、角動量和相空間中恆星隨機樣本的密度，研究人員就能識別出無法直接觀測到的星群。它們是很久以前被銀河系瓦解的衛星星系的魅影。幾個研究小組，例如荷蘭卡普坦天文研究所(Kapteyn Astronomical Institute，位于格羅寧根市)的阿明娜•希勒米(Amina Helmi)和美國華盛頓大學的克里斯•B•布魯克(Chris B. Brook)各自領導的小組，已經用這項技術發現了一些被吞並的衛星星系的遺跡。目前已被發現的遺跡都位于太陽系附近，因為現有設備還無法足夠精確地測量更遙遠恆星的三維運動。
《環球科學》2007年第5期
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責任編輯:skylook
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