来历：Nature天然科研

来自盖亚勘探器的最新数据从根本上改动了咱们对银河系演化的认知。

上一年4月的一天，Amina Helmi在前往荷兰北部上班的路上起了一阵鸡皮疙瘩，并不是因为天气冷，而是因为一种朴实的等待。几天前，欧洲航天局（ESA）的“盖亚”（Gaia）任务将曩昔五年制作而成的超详细银河系地图全数发布。作为格罗宁根大学的一名地理学家，Amina Helmi和她的团队其时正分秒必争地解读这些数据，以期祖先一步解开银河系的隐秘。

来历: ESA/Gaia/DPAC

加班加点赶进展，激动得睡不着觉，Helmi和搭档都预见将有大事发作。团队总共发现了3万颗“叛逃”恒星。不同于银河系主体中其他天体的平面盘形绕轨运动，这些不守规则的恒星逆其道而行之，沿着带领它们脱离银道面的轨迹运动。

团队用了几周的时间，发现了这群亮堂的恒星昭示着银河系前史上一段不为人知的紊乱曩昔：年青的银河系曾与一个巨大的伴星系发作过磕碰。这个巨大的伴星系曾环绕着银河系运动，就像行星环绕恒星而转，但在约80亿-110亿年前，两者发作了磕碰，导致银盘发作巨变，恒星四散开来。这是迄今已知的在银河系构成人类所熟知的旋臂结构前的最终一次大磕碰。

几十亿年来，那次陈旧的磕碰留下的信号就在咱们眼前，但一向到盖亚数据集发布之后，地理学家才干检测到它。Helmi对此点评道：“能够发现银河系前史上的这一里程碑事情简直太棒了。”

多亏了盖亚任务，这类具有重大意义的发现层出不穷。盖亚任务的方针是编制一张包括10亿多颗局域恒星的星表，记录下它们的亮度、温度、年纪、方位和速度。

其间，恒星的方位和速度对地理学家来说特别重要：盖亚任务之前，科学家一向短少关于许多恒星的间隔和“自行”（恒星在天空中的移动）的高精度丈量数据。

一旦有了这些要害信息，就像Helmi和她的搭档相同，研讨人员能寻觅到沿着和谐轨迹一起运动的天体，并发现它们的一起来历。知道恒星速度还有助于追溯暗物质的影响——谜一般的暗物质尽管看不见摸不着，却是银河系的首要质量来历，其引力能够曲折恒星的运动轨迹。

自从2018年4月盖亚数据集发布以来，已有几百篇论文相继发表出来，它们所描绘的银河系比咱们原先所想象的更有生机，也更杂乱。这个银河系中充满了惊喜，比方那些指向暗物质团存在的痕迹，或许能让科学家进一步知道暗物质的性质。英国剑桥大学地理学家Vasily Belokurov表明，那些简单发现的初期效果现已带来了改动，但这仅仅一场地理学大发现的预演：“咱们对银河系的知道现已彻底改动了。”

动乱的曩昔

太阳系间隔银河系中心约8000秒间隔（约2.6万光年），坐落银河系边际的次级旋臂——猎户座悬臂。从这一高处望去，能够看到整个夜空群星闪烁，科学家也有必要从这个方位制作出整个银河系的结构。

到20世纪中叶，地理学家现已有了一个大致结构，他们以为银河系的恒星首要会集在中心核球内，并被相似蛇形曲折的旋臂包裹，周围还有一圈较薄的球形晕轮。上世纪七、八十年代，研讨人员现已推导出这种结构是怎么在曩昔几十亿年中渐渐构成的——开端不过是一团暗物质、气体和尘土。可见成分先是塌缩成盘状结构，再经过吞噬较小的卫星星系逐步向外胀大。之后，地理学家运用地上望远镜重复拍照整个夜空，捕捉到了更多细节。这类观测活动让科学家能够近间隔调查恒星晕等大型星系目标，他们在恒星晕中发现了进入恒星碎屑流的小型星系剩余。

可是，地上观测得到的银河系结构信息究竟有限，这首要因为地球的扰动大气会影响恒星间隔的丈量精度。此外，尽管能够经过色彩改动判别恒星朝向地球或远离地球的运动速度，但想要得到恒星自行和完好的三维速度信息却很难，因为从人类时间尺度来看，天空中大部分天体的运动能够说是微乎其微。因此，恒星之间的联系变得反常隐晦，而寻觅不同恒星的运动相似性或能作为破解这类联系的重要头绪。

2000年立项，13年后才正式发动的盖亚任务耗资约8.44亿美元，正是为了添补这些空白而生。盖亚勘探器的绕日轨迹略大于地球的绕日轨迹，它能够从不同的方位捕捉同一颗恒星的信息。由此一来，地理学家就能经过“恒星视差”来核算恒星间隔，恒星视差是指观测目标的视位随观测方位改动而发作的极小改动。欧洲航天局的“依巴谷”（Hipparcos）卫星曾在1989年-1993年运转期间搜集过相似的视差数据，但盖亚的丈量精度要高100倍，灵敏度也更佳，足以让人类窥见银河系更深处的真容：在盖亚所观测的10亿多颗恒星中，约99%的恒星间隔从未得到准确丈量。

盖亚的核算任务十分艰巨，项目研讨人员将勘探器所捕捉到的每一颗恒星相对于其它每颗恒星的方位制作成了详细地图。团队在此基础上丈量得出了恒星看上去划过天空的速度，即恒星的自行。经过丈量恒星色彩的纤细改动，地理学家就能大约知道天体沿卫星瞄准线接近或远离的速度。结合以上两个丈量数据，以及盖亚核算出的恒星间隔，就能得到恒星的完好三维运动信息。盖亚能够丈量出它观测到的最亮堂的一批恒星的瞄准线运动，但地上望远镜能协助观测剩余的恒星。知道每颗恒星的方位以及它们运转的方向，研讨人员就能快速梳理出银河系的隐秘前史。

以Helmi及其搭档所研讨的陈旧磕碰为例，他们发现一群恒星具有一起来历的依据得到了坐落美国新墨西哥州的地上望远镜“斯隆数字巡天”（Sloan Digital Sky Survey， SDSS）的进一步佐证，SDSS搜集到的数据显现，这些恒星的化学构成十分相似。团队以为这些恒星都来自一个矮星系，并将这个矮星系取名为“盖亚-恩克拉多斯”（Gaia-Enceladus）。在古希腊神话中，伟人恩克拉多斯是盖亚的子孙。

偶然的是，Belokurov和搭档也从盖亚2016年发布的第一批数据中，找到了这次磕碰的依据。其时的数据并不包括自行数据，但经过将数据会集的恒星方位信息与SDSS十年前的观测数据进行比照，团队就能知道恒星在中心这段时间是怎么移动的。他们发现有一群天体一起在违背中心的轨迹上运动，而这个轨迹会把它们带离银心。

这些现象好像都源于一次大磕碰事情。这些恒星明显具有一起来历，因为它们的金属含量十分相似。研讨人员依据恒星速度绘图后，发现形状相似腊肠，所以将这些恒星从前的家乡——这个陈旧的矮星系命名为“盖亚腊肠”（Gaia Sausage）。

对同一个矮星系的两种叫法在地理界引起了混杂。可是不管怎么称号这个“首恶”，这次陈旧兼并或许是解开银河系之谜的一个头绪。银盘由两部分组成，一个是含有气体、尘土和年青恒星的薄盘，就像奥利奥饼干的夹心部分；其外部则是简直清一色由老星组成的厚盘。

地理学家一向在争论究竟是先有厚盘，再有气体和尘土紧缩构成一个薄核；仍是先有薄盘，再从薄盘的一部分胀大扩展。因为这个“盖亚-恩克拉多斯-腊肠”矮星系在磕碰时只比银河系小一点，它很有或许曾给银盘输送了很多能量，使其升温胀大。Helmi团队将这一发现视为支撑胀大理论和银河系从前历过剧烈变形的依据。

常识的井喷

让研讨人员深受轰动的是，凭借盖亚供给的数据，此前难有打破的地理学研讨正以史无前例的速度向前展开。哥伦比亚大学地理学家Kathryn Johnston犹记住就在盖亚数据集发表后的第二天，一篇论文曾引起了热议，论文指出太阳周围约有600万颗恒星整齐划一地排成相似蜗牛壳的形状进行螺旋式运动。

Johnston以为这种运动轨迹看起来像是小型卫星星系“人马座”留下的指纹。每逢人马座快速接近时，其引力就会对银河系的恒星发作扰动，这种扰动会在银盘中发作晃动并留下涟漪。研讨人员此前对这种痕迹有过估测，但盖亚数据集供给了首个明晰而有力的信号，证明人马座的影响。“那对我来说是个稀少难得的时间，”Johnston说，“整个螺旋形状十分明晰。看起来更像是一个理想化模仿的理论猜测，而不是一个实在的数据图。”

透过盖亚的“眼睛”，这种扰动不只清楚明了，还诉说着银河系的另一段前史。此前，大多数地理学家估测，尽管银河系外晕曾与小卫星发作紊乱的磕碰，但银河系主体一向以来都较为安静。科学家一向以为比如旋臂和被以为穿过核球的恒星带都是银河系内涵动力下的产品。但这些看似由人马座引发的晃动显现，外部力气对银河系结构的影响超越此前地理学家的知道。

普林斯顿大学的天体物理学家Adrian Price-Whelan以为，盖亚迫使研讨人员不得不从头审视一些用于简化模型的规范化假定。他说：“咱们之前就知道有些假定是错的，现在盖亚让咱们知道错在哪里。”

制作银河系的昏暗面

为银河系中的亮堂天体制作地图或许还有助于搞懂暗物质，暗物质或许占到了银河系质量的90%。理论学家置疑银河系外部有一个巨大的近球形暗物质晕，和一般物质相同，这些暗物质在引力效果下集合成了较小的结构。世界学模仿显现，有不计其数个大型暗物质团绕着银河系滚动，有的会被中心的暗物质团吞噬，整个进程相似于银河系吞噬其它可见小卫星的进程。

大部分暗物质子结构被以为只包括少数恒星或没有恒星，因此极难被勘探到。但盖亚或许在GD-1中发现了一些蛛丝马迹，GD-1是2006年发现的占有一半北部天空的长星流。这个星流已被研讨过很屡次，但盖亚让Price-Whelan和哈佛-史密松森天体物理中心的地理学家Ana Bonaca愈加有信心肠找到了星流的真实成员。上一年11月，他们与其他两位搭档断定了GD-1的结构特征，他们发现该星流有一个很大的缺口，或许是约5亿年前与一个大型天体磕碰后留下的伤痕。当这一假定的搅扰天体加快穿过星流时，其引力对一些恒星的牵扯或许导致星流别离，使得这些恒星跑到了火伴的前头。

Bonaca以为最有或许的元凶巨恶或许是一个细密的暗物质团，这个暗物质团的质量约为太阳的100万倍到1亿倍。这一预算或许会对暗物质的物理建模发作重要影响。暗物质粒子的质量有助于判别暗物质粒子的运动速度，反过来就能推算出它能构成的暗物质团的巨细。Bonaca说这个扰动GD-1的暗物质团的潜在质量范围很有意思，或将能扫除一些质量较小的假定的暗物质候选者。

Bonaca和她的团队期望能经过盖亚的数据测定星流中遭到扰动的恒星的速度，这样或许能断定假定的暗物质团的移动轨迹。他们假如能找到这个暗物质团现在地点的方位，就有或许勘探出它对其它物质的引力效果。或许，经过现场练习γ射线望远镜寻觅暗物质粒子湮灭或衰变的依据——这类进程一般能开释高能光子。不管运用哪种办法，都是对暗物质物理特性的一次更直接的勘探。

但Price-Whelan仍表明从单一比如中无法推断出太多信息。他期望使用盖亚星表和未来观测成果（如智利的大口径全景巡天望远镜（LSST）将于2020年后开端搜集数据）展开系统性研讨，能够让更多暗星和其他星流浮出水面。假如其他星流中也存在与暗物质团磕碰过留下的痕迹，地理学家就能对暗物质团的丰度和巨细有更深化的知道，进而协助断定暗物质的性质。

地理学家期望盖亚搜集的关于恒星运动的数据能帮他们勾勒出银河系昏暗面的大致概括。银河系暗物质晕的球形或对称性也各有差异，详细取决于构成暗物质晕的粒子类型。Belokurov信任在未来2-4年内，盖亚搜集的关于局域恒星轨迹的信息足以让科学家断定暗物质晕的总质量和形状。

这类研讨成果不只仅能用于发掘银河系的前史，有关银河系前史和暗物质散布的研讨发现将被反过来填充世界学模型——用于探究世界大结构展开改动。现在，盖亚任务已被同意延伸至2020年末，荷兰莱顿大学的地理学家Anthony Brown是盖亚任务数据处理和剖析联盟主席，他以为盖亚工作到2024年不是问题，也就是总共10年的服役期。他说，延伸任务应能够让盖亚对当时追寻的恒星的自行丈量精度进步3倍，乃至还能带来更悠远的恒星的信息。

盖亚的前史功劳尚待书写，但一切痕迹都显现，那将是一项巨大的功劳。SDSS等收集的全空勘探数据，即便在任务完结10多年后，仍在发作连绵不断的新发现。跟着盖亚星表的不断扩容和完善，Helmi 等待能进一步揭开银河系的演化前史。“最让我激动是，”她说，“咱们对银河系前史的了解才刚刚开端。”