銀河系翹曲身材或源自星系碰撞 太陽是「事故」留下的傷痕
本報記者 趙漢斌
早在上世紀50年代，人們就已發現銀河系並不是一個平坦的圓盤，而是如翹曲的炸薯片，越是邊緣越翹，這大大超出了傳統認知。2019年，我國科學家首次給出了銀河系翹曲結構的直觀三維地圖，引得70多個國家的上千家科學媒體關注。
然而，關於為什麼銀河系會這樣「翹」，長期以來有種種假說，莫衷一是。最近，《自然·天文學》期刊的一篇論文，再次將人們的目光聚焦到這個問題上。研究顯示，銀河系的翹曲結構，或許與某一星系的碰撞有關。新的研究，也為科學家們探尋銀河系的形成和演變，揭開浩瀚宇宙的更多奧秘提供了新的視角。
堅持不懈「看清」銀河系
「銀河宛轉三千曲，浴鳧飛鷺澄波綠。」這是宋代著名詞人周邦彥對銀河系的描述。
自古以來，夜空中美麗的銀河光帶，引發了人們無數的想像，許多詩句和神話也由此傳出。然而由於客觀條件的限制，古人對銀河的認識，並無太多科學依據。
直到1609年冬，伽利略首次通過望遠鏡觀測發現，銀河由密密麻麻眾多暗星集聚而成，並非是一片發光的薄雲。1750年，英國人萊特提出，銀河系內所有恆星構成了一個巨大的扁平圓盤狀系統，這是天文學家對銀河系主體具有盤狀外形的首次描述。此後，英國天文學家威廉·赫歇爾花了十多年的時間，用望遠鏡對銀河系進行了1083次觀測。在此基礎上，他提出若干理論假設，建立了天文學歷史上的第一個銀河系模型，不僅證實了銀河系的客觀存在，同時也是繼哥白尼日心說之後，天文學歷史上的又一個重要裡程碑，赫歇爾也因此被譽為「恆星天文學之父」。人類的視野也隨之從太陽系拓展到更為深邃的銀河系。
科學家認為，由於角動量守恆，許多星系在形成的過程中都會呈現出一種扁平的結構，因此認定銀河系也當如此，類似於一個巨大的扁平銀盤。但事實上，據大量觀測表明，大約三分之一的河外盤星系都或多或少地呈現出翹曲形狀。1957年，天文學家通過觀測發現，在銀盤外緣、銀心距大於4萬光年的地方，中性氫(HI)氣體並非對稱分布於銀道面的兩側，而是表現出像裙擺那樣翹起的所謂「翹曲結構」，這一結果很快被後續多項更詳細的研究所證實。
2019年2月，中國科學院國家天文臺的陳孝鈿、鄧李才研究組和北京大學王舒研究組等，基於經典造父變星構建了一個穩健的銀河系盤模型，給出了銀河系翹曲結構的直觀三維形象，再次刷新了人們對銀河系的認知。他們發現，距離銀河系中心越遠，造父變星就越偏離銀盤面，整體呈「S」形；同時，從銀心向外的翹曲呈現出複雜的進動現象，這也對揭示銀河系外盤起源提供了決定性的觀測證據。
半人馬座矮星系嫌疑最大
那為何銀河系的形狀並不是規則的圓盤，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宇宙科學任務。
2013年12月19日，蓋亞空間望遠鏡在法屬蓋亞那成功發射升空，飛往距地球150萬公裡的拉格朗日L2點——這也是太陽和地球引力的平衡點之一，在太陽與地球連線外側，由於背對太陽受幹擾較少，適合安放太空望遠鏡等空間探測設備。這個太空新成員的使命是觀測銀河系中約10億顆恆星的位置和運動，繪製迄今最精確的銀河系三維地圖，希望能夠幫助解答有關銀河系起源和演化的問題。
「通過蓋亞空間望遠鏡，人們進一步證實了以前認為是水平的銀河系銀道面，實際上是一種一頭高、一頭低的翹曲結構。太陽系所在位置的銀盤厚度約為500光年，太陽位置以外翹曲的程度大約是偏離銀道面4500光年，在對應另外一端銀盤的厚度大約是3000光年。」中國科學院雲南天文臺高級工程師陳東向科技日報記者介紹說。
這項新研究的主要作者、義大利都靈天體物理觀測站博士生埃洛伊薩·波喬在給歐洲航天局的一份聲明中稱：「我們通過模型對數據進行了比較，以此來測量翹曲的速度。根據模擬結果，這一翹曲將在6到7億年內繞銀河系中心完成一次旋轉。」相比之下，太陽繞銀河系運行大約需要2.2億年。
「此前有人提出，暗物質、磁場等或是造成這種翹曲結構的原因，但是後來發現，暗物質等因素無法解釋這種結構在未來6到7億年內的運動速度，並且這個速度貌似還在隨時間變化。」陳東說。
於是，科學家提出了一個令人難以置信的猜想：翹曲結構或許源自銀河系與其他星系的碰撞。可如果翹曲結構真的與星系碰撞有關，那到底是哪個星系跟銀河系曾經有過「親密接觸」呢？
陳東打了一個形象比方：「目前一種最自洽的解釋，是銀河系附近大質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生漣漪，上下震蕩，帶動漂浮水面的小球也上下震蕩。」他認為，銀河系的一個衛星星系——半人馬座矮星系嫌疑最大。此前的研究表明，它的確曾經幾次縱穿銀河系圓盤，而且可能正在被銀河系吸收。
陳東認為，此種碰撞對兩個星系內的天體均有很大影響。因為天體正面相撞的機率非常小，這種影響主要集中在運動軌道的改變、局部物質密度的擾動等方面。蓋亞空間望遠鏡的觀測數據表明，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，導致了銀河系內氣體物質的擾動。
當然，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構變化，目前仍是一個謎，科學家們還將對此展開更深入的研究。為此，蓋亞空間望遠鏡研究小組透露，可能在2020年或2021年，他們還將提供一批新的數據，希望在那時能夠「還原事實真相」。
3次碰撞「孕育」恆星
蓋亞空間望遠鏡收集的數據，不僅揭示了人馬座矮星系對銀河系的影響，碰撞產生的漣漪似乎引發了主要的恆星形成事件，其中太陽的形成與我們息息相關。
此次研究團隊的天體物理學家託馬斯·魯伊斯·蘿拉介紹，他們的一項新研究揭示了57億年前的銀河系往事——銀河系或與半人馬座矮星系發生過3次碰撞，第一次碰撞就產生了太陽，因為太陽的年齡與因半人馬座矮星系碰撞效應而形成的恆星年齡一致。
在對蓋亞空間望遠鏡傳回的大量數據進行研究以後，他們將銀河系內大量恆星的光度、距離和顏色，與現有的恆星演化模型進行了詳細對比，發現在過去大約60億年的時間裡，銀河系恆星的形成主要集中在三個時期，並在57億年前、19億年前以及10億年前達到峰值，而這恰好就是銀河系與半人馬座矮星系碰撞的時間點。
該團隊認為，這並不是巧合，而是大有因果關係。託馬斯認為，在這段時間裡，銀河系本身是比較穩定的，但半人馬座矮星系的到來，打破了這種平衡，所產生的「漣漪」會導致銀河系的某些區域出現較高的物質密度，而在另一些區域裡的物質則會變得稀疏，在引力的作用下，氣體和塵埃就會開始大量聚集，並最終形成耀眼的恆星，太陽正是其中一顆。