银河系的新历史

当撒哈拉以南非洲的科伊桑族狩猎采集者注视着蜿蜒曲折的星光和尘埃，将夜空分开时，他们看到了篝火的余烬。波利尼西亚水手们意识到吃云的鲨鱼。古希腊人看到了牛奶，嘎嘎酒，最终将产生现代术语“银河系”。

在20世纪，天文学家发现我们的银河只是广阔的恒星岛中的一块，他们写下了自己的银河起源故事。用最简单的说法，它认为我们的银河星系在将近140亿年前汇聚在一起，当时巨大的气体和尘埃云在重力的作用下聚结在一起。随着时间的流逝，出现了两个结构：首先是一个巨大的球形“光晕”，然后是一个密集而明亮的磁盘。在那之后的数十亿年中，我们自己的太阳系开始旋转进入该盘内，因此当我们在夜间向外看时，我们会看到溢出的牛奶-盘在天空上飞溅的直视视图。

然而在过去的两年中，研究人员几乎重写了银河系历史的每个主要章节。发生了什么？他们获得了更好的数据。

2018年4月25日，一架名为盖亚（Gaia）的欧洲航天器发布了数量惊人的关于天空的信息。至关重要的是，盖亚（Gaia）长达数年的数据集描述了大约10亿颗恒星的详细运动。先前的调查仅绘制了数千人的运动图。数据使以前静止的银河带栩栩如生。法国史特拉斯堡天文台的天文学家费德里科·塞斯蒂托（Federico Sestito）说：“盖亚开始了一场新的革命。”

天文学家竞相下载动态恒星图，随后又发现了一系列发现。他们发现，例如，磁盘的某些部分看上去不可能古老。他们还发现了影响银河系暴力少年的史诗般碰撞的证据，以及新迹象表明银河系继续以意想不到的方式搅动。

总而言之，这些结果为我们星系的动荡过去和不断发展的未来开辟了一个新故事。爱丁堡大学的天文学家迈克尔·彼得森说：“我们对银河系的看法改变得如此之快。” “主题是银河系不是静态物体。到处都在迅速变化。”

为了追溯到银河系的最早日子，天文学家寻找当时的恒星。这些恒星仅由氢和氦（它们是宇宙最原始的物质）制成的。幸运的是，这颗早期恒星中的较小恒星也缓慢燃烧，因此许多恒星仍在发光。

经过数十年的调查，研究人员整理了一个目录，列出了42个此类古人，称为超贫金属恒星（对天文学家来说，任何比氦大的原子都称为金属）。根据银河系的标准故事，这些恒星应该聚集在整个光晕中，这是银河系形成的第一部分。相比之下，盘中的恒星应该被碳和氧之类的重金属元素所污染。

在2017年末，Sestito开始通过编写代码来分析即将到来的Gaia结果来研究这种贫金属群体的运动。他认为，也许它们的球形路径可以为光环的形成提供一些线索。

盖亚（Gaia）发布数据后的几天里，他从完整的数据集中提取了42颗古星，然后跟踪它们的运动。如他所料，他发现大多数人都流过光环。但是有些（大约四分之一）不是。相反，它们似乎卡在了银河系最年轻的区域磁盘中。 “到底是什么，”塞斯蒂托想知道，尽管他用了一个不同的四个字母的词。 “这是怎么回事？”

后续研究证实，恒星确实是磁盘的长期居民，而不仅仅是经过的游客。根据最近的两次调查，Sestito及其同事积累了一个大约5,000个金属贫乏恒星的图书馆。其中几百个似乎是磁盘的永久居民。另一小组筛选了另一项调查确定的约500颗恒星，发现其中约有十分之一的恒星平放在圆形的太阳状轨道上。第三个研究小组发现各种金属（因此年龄不同）的恒星在圆盘轨道上运动。巴黎天文台的天文学家主要作者Paola Di Matteo说：“这是全新的东西。”

这些陈旧过时如何到达那里？塞斯蒂托推测，也许原始气体的口袋能够躲避从超新星排出的所有金属达万亿年，然后坍塌形成看上去看似古老的恒星。或者，当光环发生时，磁盘可能已经开始成形，比计划提前了近十亿年。

为了了解哪种可能性更大，他与位于德国波茨坦的莱布尼兹天体物理研究所的研究员托比亚斯·巴克（Tobias Buck）联系，他专门研究数字星系模拟。如前所述，过去的努力通常首先产生光晕，然后产生磁盘。但是这些都是相对低分辨率的工作。

Buck将其仿真的清晰度提高了大约10倍。在此分辨率下，每次运行都需要大量的计算资源。即使他可以使用德国的莱布尼兹超级计算机中心，一次模拟也需要三个月的计算时间。他重复了六次练习。

在这6个中，有5个产生了银河系多贝格尔。其中两个具有大量的金属贫乏的盘状恒星。

那些古老的恒星是如何进入磁盘的？简而言之，他们是杰出的移民。其中一些人出生于银河系之前的云层中。然后，云层恰巧将它们的某些恒星沉积到轨道上，这些轨道最终将构成银河系盘的一部分。其他恒星来自小型的“矮”星系，这些星系撞击到银河系中并与一个新兴的盘对准。

该小组在11月发布的结果表明，经典星系形成模型并不完整。正如预期的那样，气云确实坍塌成球形光晕。但是，以正确角度到达的恒星可以同时启动一个盘。 “ [理论家]没错，”巴克说。 “他们丢失了照片的一部分。”

并发症还不止于此。通过盖亚（Gaia），天文学家已发现灾难性碰撞的直接证据。天文学家认为银河系很忙，但是现在新泽西州普林斯顿高级研究所的天文学家赫尔默·科珀尔曼（Helmer Koppelman）使用盖亚数据来帮助确定最大合并中的特定碎片。

盖普曼回忆说，盖亚（Gaia）的2018年数据发布时间是在周三，疯狂的下载目录冻结了其网站。他在星期四处理了数据，到了星期五，他知道自己将继续前进。在各个方向上，他都看到大量的光晕恒星在银河系的中心以同样的奇特方式来回回跳，这暗示着它们来自一个矮星系。 Koppelman和他的同事在周日准备了一份简短的论文，随后在六月进行了更详细的分析。

银河残骸无处不在。光环内部60,000光年（向各个方向延伸数十万光年）内所有恒星中的一半可能是来自这种单独的碰撞，这可能使年轻银河系的质量增加了10倍％。 “这对我来说是改变游戏规则的人，”科佩尔曼说。 “我期望有许多不同的较小物体。”

该组织以原始女神之一的希腊女神盖亚（Gaia）和泰坦的儿子恩克拉多斯（Enceladus）的名字命名了即将到来的星系Gaia-Enceladus。剑桥大学的另一个团队大约在同一时间独立发现了银河系，并称其为香肠在某些轨道图中的出现。

在大约100亿年前，当银河系和盖亚-土卫二发生碰撞时，银河系的脆弱盘可能遭受了广泛的破坏。天文学家们争论为什么我们的银河盘似乎有两个部分：一个薄盘和一个较厚的盘，恒星在绕银河中心旋转时会上下弹起。迪·马特奥（Di Matteo）领导的研究现在表明，盖亚（Gaia）-土卫二（Enceladus）爆炸了很多磁盘，在碰撞时将其鼓起。 Koppelman说：“最早的远古磁盘形成得非常快，然后我们认为盖亚-土卫二破坏了它。”

在被称为球状星团的恒星束中发现了更多合并的提示。德国海德堡大学的天文学家Diederik Kruijssen使用星系模拟训练神经网络来检查球状星团。他让它研究了他们的年龄，构成和轨道。根据这些数据，神经网络可以重建组装星系的碰撞。然后，他根据真实银河系的数据放开了它。该程序重建了诸如盖亚-土卫二之类的已知事件，以及该组织将其称为Kraken的较旧的，更重要的合并。

八月，克鲁伊森（Kruijssen）的小组发表了银河系和形成它的矮星系的合并谱系。他们还预测，希望通过独立观察进一步确认还有10次过去发生的碰撞。克鲁伊森说：“我们还没有找到另外10个，但是我们会的。”

所有这些合并使一些天文学家提出，光环可能几乎完全由移民恒星构成。 1960年代和70年代的模型预测，大多数银河系晕星应该已经形成。迪马特奥说，但是随着越来越多的恒星被确认为银河闯入者，天文学家可能不需要假设许多恒星是本机。

银河系在近代以来享有相对安静的历史，但是新移民不断涌入。南半球的观星者可以用肉眼看到一对矮小的星系，称为麦哲伦星云。长期以来，天文学家认为这对行星是我们坚定不移的轨道伴侣，就像银河系的卫星一样。

然后，在2006年至2013年之间对哈勃太空望远镜进行的一系列观测发现，它们更像是传入的陨石。弗吉尼亚大学的天文学家Nitya Kallivayalil估计云层以每秒约330公里的速度热着，几乎是预期的两倍。

当爱丁堡皇家天文台的天文学家豪尔赫·佩纳鲁皮亚（JorgePeñarrubia）领导的一个小组在几年后对数字进行了计算时，他们得出结论认为，快速的云团必须极其沉重-也许比以前想象的大十倍。

各种团体预测，出乎意料的强矮人可能会拖曳银河系的某些部分，今年，佩尼亚鲁比亚（Peñarrubia）与彼得森（Petersen）合作寻找证据。

寻找整个银河系运动的问题是，银河系是一团汹涌的恒星，天文学家从其中一颗雪花向外望。因此，佩尼亚鲁比亚（Peñarrubia）和彼得森（Petersen）花费了大量的时间进行锁定，以找出如何抵消地球和太阳的运动，以及如何平衡光晕恒星的运动，从而使光晕的外部边缘可以作为静止的背景。

当他们以这种方式校准数据时，他们发现地球，太阳和它们所在的磁盘其余部分都朝一个方向倾斜-不是朝着麦哲伦星云的当前位置，而是朝着它的十亿左右的位置几年前（彼得森解释说，星系是笨拙的动物，反射缓慢）。他们最近在《自然天文学》中详细介绍了他们的发现。

磁盘相对于光晕的滑动破坏了一个基本假设：银河系是一个平衡的物体。它可能会在太空中旋转和滑动，但是大多数天文学家都认为，数十亿年后，成熟的磁盘和光晕已经稳定下来。

Peñarrubia和Petersen的分析证明了这一假设是错误的。即使在140亿年之后，合并仍在塑造银河的整体形状。这种认识仅仅是我们如何理解天空中大量牛奶的最新变化。

彼得森说：“我们认为我们所知道的一切有关银河系的未来和历史，我们需要一个新的模型来描述这一点。”