銀河系的諸多形態變化，與內部運動和質量來源有何關聯？

作者：文/虞子期

在宇宙的數十億星系中，銀河系算得上是螺旋星系裡最令人敬畏的一個，因為在它的區域內，不僅布滿了恆星、行星和星雲等物質，包括我們地球上的所有生命，也都寄存在這個神秘空間之中。然而，我們頭頂這片天空中的星星並不是隨機分布，大量聚集在銀河系某些區域的恆星，已經構造了諸多與地球上形態類似的特徵，比如山脊、拱門、波浪，甚至是溪流。或許你有所不知，儘管我們目前的銀河系已經很大，但當其中心區域附近出現新的恆星時，仍然會以超過聲速的增長速度繼續擴大。與此同時，隨著銀河系邊緣重力所產生的拉力逐漸減弱，其形狀也開始發生了一些微妙的變化，我們的銀河系外觀發生了特殊形狀的扭曲。然而，當科學家們對星系形成進行分析時，卻了解到星際氣體、塵埃與時間推移之間存在關聯，並且，我們銀河系中的物質，大約有一半都來自於其他遙遠星系。

銀河系的某些區域形成了 “宇宙山脈”

眾所周知，我們所生活的地球上具有各種地形特徵，而它們的形成往往是地球的板塊構造活動所引起。而在我們銀河系的某些區域，科學家們也發現了類似於拱門和山脊等形態的模仿物，於是，研究人員開始了一系列測試，以確定促使該現象產生的力量是源於其自身、還是銀河系的外部。顯而易見，這並不是一個可以輕而易舉就能給出確定答案的問題，科學家們在對其中山脈一樣折疊起來的八個山脊的研究中發現，每個夾在銀河系盤中間層的山脊上，都擁有獨特的恆星系列。並且，它們和太陽的元素組成高度相似，並不像恆星老年階段那樣分散，這些信息都給予了理解這些山脊的重要提示。

關於銀河系中的這些山脊和其他特徵是如何創建的，爭議主要集中在內部作用和外部力量兩個方面。當這些銀河地理的形成關鍵定義為內部因素時，那麽該星系的內部機制便與此有關，比如，共振波可能會因為重力之間的相互作用而產生，更大的物質團塊也由此從那些相對更小的物質中產生。又或者，這些特殊的地理形態，不過是因為星系中恆星、塵埃和氣體之間的摩擦所導致，就好比當我在清洗衣物的時候，洗衣機中的所有東西會混亂的糾纏在一起。而所謂的外部作用則指的是，當銀河系被一些像小矮星系一樣的物體穿過時，便可能會引起這些“褶皺”似的形態。

最後，科學家們將這些過程都在計算機模擬中進行測試，以檢查它們是否能夠在各種條件下重建恆星的分布，結果表明，過往星系在撞擊銀河系特定區域後，所產生的山脊比我們在銀河系中實際看到的山脊更高。相反，在內部物體相互糾纏的過程中所產生的形態，與銀河系某些區域中所產生的山脊外觀高度匹配。也就是說，當銀河系的旋臂隨著時間而發生變化，位於其中的恆星也開始了各種方式的混合，而位於這些山脊中的恆星都沒有呈現出散射的特徵，也可說明這些形成外形特徵應該來源於附近的力量。

銀河系的形態呈現出扭曲的“S”形狀

當我們從銀河系的上方俯視該星系的時候，位於中央的凸起、四個環繞的大型懸臂、中心的條形結構，以及兩個主要懸臂顯而易見，這大概是大多數人對銀河系最直觀的外觀形態印象。然而，科學家們並沒有停止對銀河系形狀演變的探索，並在之後的研究中發現在，由於銀河系邊緣所產生的重力拉力逐漸減弱，因而它的形狀也發生了一些微妙變化。該星系呈現出了一種看似扭曲的S形狀，而不是平躺在同一個平面之上。該研究的共同作者李才登（中國科學院國家天文台的高級研究員）表示，這種新形態的發現，不僅體現了銀河系中恆星的運動特徵，也更新了銀河系盤的起源地圖。

我們都知道，在銀河系的超大質量黑洞周圍，包圍著數十億顆數恆星，正是看不見的暗物質發揮引力，才讓星系保持了完整。客觀而言，要直接成像銀河系的外圍是很困難的事，於是，科學家們選擇了特殊的造父變星來測量其邊緣距離。在更新的恆星目錄中，有1339種造父變星恆星，且它們的位置可顯示出銀河系外緣的翹曲。與地球的恆星太陽相比，這些恆星更為年輕，其燃燒所形成的光會持續數百萬年，並呈現出周期性變化。科學家們正是通過這些脈衝的亮度，才得以將恆星距離的準確度檢測到3%到5%之間，並且，我們的銀河系並不是此類現象中的特例，科學家們在之前的探索中，就已經發現了十多個星系呈現出類似的形態變化，只不過我們銀河系的翹曲，很大概率上都是因為盤內旋轉引起的扭矩所導致。

星系運動和星系質量之間有何關聯

或許，在我們普通人看來，目前的銀河系已經足夠龐大，但截至目前，人類所了解到信息並不是銀河系的全貌。隨著探索儀器的進步，以及外圍中恆星的形成，我們對銀河系可見部分的探索範圍正在擴大，儘管這樣的增長速度並不是很快。我們都知道，擁有數千億顆恆星的銀河系，是一個具有10萬光年左右寬度的典型螺旋星系，但由於我們就位於相對更中心的位置，所以總是難以直接測量其增長速度。科學家們將過往任務的數據進行了分析，其中包含了許多螺旋星系的外圍，以及望遠鏡所收集到的近紫外數據，並通過觀測恆星誕生和運動的過程得出，銀河系目前的增長速度大約為每小時1770公里，這樣的速度相當於地球上海平面聲速的1.4倍左右。

當然，這樣增長速度並不是永久不變的，並可能會終結於40億年內的一次碰撞事件 ，那時的銀河系會在與同樣是螺旋星系的仙女座星系相撞之後，進一步合並形成所謂的巨型星系。與此同時，科學家們還發現銀河系的物質種，大約有一半都來自於其他更為遙遠的星系，而它們在此聚集的方式，則可能是被在其他星系的強風吹走之後，在穿越了星際空間的同時，找到了銀河系。隨後，科學家們實現了對星系隨著時間推移從宇宙獲取物質的量化，從模擬結果來看，位於星系內的超新星爆炸伴隨著大量氣體的釋放，並導致了原子從一個星系到另一個星系的轉移。雖然星系間的距離看似遙遠，但銀河系本身的物質傳播速度卻可以達到每秒幾百公里，在經過漫長的數十億時間之後，那些新的材料最終被注入了目標星系，並因此而引發了大量恆星的形成。

簡而言之，不同質量星系的早期生長，都被新的增生作用所促成的原位恆星形成所主導，而銀河系風中噴出氣體的再吸收，則在星系演化所需的大部分氣體中佔據著主導位置。而這些物質的流動也存在一些明顯規律，比如，氣體往往都是從相對更小的星系，流向那些質量較大的星系，而我們的銀河系通過這種方式所獲取的質量比例，甚至可以達到系內總質量的50%左右。雖然在此之前，這種星系間的氣體轉移，是一種並未被充分認識的星系質量增長模式，但實際的研究至少可以說明，銀河系風便是中央星系重子質量的主要貢獻者。這樣的研究結果為我們帶來了大爆炸形成星系之外的更多理解，新的模式同時也暗示了位於我們周圍的原子中，可能有一半都是來自於其他星系，它們和天空中的遙遠物體存在著諸多關聯，關於很多與起源相關的問題，或許我們實際上了解的會比之前以為的更少。