撰文：安娜·弗雷貝爾?

本文作者安娜·弗雷貝爾是美國麻省理工學院的物理學助理教授。她獲得了2010年美國天文學會所頒發的安妮·J·坎農（Annie J. Cannon）天文學獎。

翻譯：謝懿

 

科學家通過對早期宇宙的計算機模擬發現，年輕的銀河系曾被數千個小星系所包圍，并通過吞食這些小星系得以長大。

 

 

準備觀測

本文作者安娜·弗雷貝爾每年都會從美國波士頓3次往返拉斯坎帕納斯天文臺（Las Campanas Observatory）進行天文觀測，希望能揭開銀河系演化中尚存的一些謎題。通常，她會提前一天到達天文觀測臺，以便根據研究需要制定出夜間觀測計劃。

弗雷貝爾的研究主要集中在極為暗弱的矮星系中的恒星。這些恒星是迄今為止所發現的最年老的恒星，之所稱其“古老”，是因為它們所包含的化學元素的比例泄露了這一“天機”。

在大爆炸之后，宇宙中的第一代恒星從含有氫、氦和微量鋰（所有元素中最輕的幾個，并且是當時宇宙中僅有的元素）的氣體云中形成。隨著第一代恒星的演化，恒星核心內部的核反應會形成諸如碳、氧、氮、鐵這些較重的元素，并隨著恒星的超新星爆炸被拋撒入太空，新一代的恒星就會從富含重元素的氣體云中形成。這些重元素和鋰習慣上被天文學家統稱為“金屬”，只有形成時間較晚的恒星才會擁有可觀的金屬含量。弗雷貝爾所研究的貧金屬恒星都誕生于宇宙的“嬰兒時期”。

 

恒星的“化學DNA”

某天，弗雷貝爾正為她的第一個觀測夜晚做準備。她觀察的第一顆恒星位于13萬光年之外的矮星系，星光的顏色攜帶著恒星的“化學DNA”信息。要想獲取這些信息，先得破譯這些“DNA編碼”。

克萊望遠鏡裝備有一個高分辨率的光譜儀，可以把星光分解成一道由不同波長的光線組成的彩虹。在彩虹的不同位置上有一些叫做“吸收線”的黑色的垂直線，對應于恒星外層不同化學元素的豐度。吸收線越窄，恒星中某種特定元素的含量就越少。事實上，光譜的分辨率已經非常高，據此甚至可以知道某顆恒星上的某種化學元素有多少個原子。

弗雷貝爾在過去幾年收集并分析的所有星光顯示，暈星和暗弱矮星系中的恒星都具有極弱的重元素（諸如鐵）吸收線。這一跡象表明，古老的暈星在化學組成上和矮星系恒星相似，只不過隨著時間的流逝，銀河系吞食這些近鄰的矮星系，竊取它們的恒星來壯大自己。

化學分析并非銀河系搶奪恒星的唯一證據。天文學家還發現銀河系如今正在撕扯著人馬座矮橢圓星系并將其變成環繞銀河系的星流，一點一點地“吃”掉它。每一次撕扯中，都會有恒星從人馬座矮星系被拽出來并進入銀河系的暈中。

截至次日早上7點，弗雷貝爾順利完成了昨天夜里對目標清單中第一顆恒星的觀測，采集的數據也令其十分滿意。

 

55分鐘的觀測區段

下午3點，弗雷貝爾開始準備用望遠鏡做更多的觀測。觀測恒星必須要收集到足夠多的光線，以便對它的化學成分作有意義的分析。恒星越暗，就需要花費越長的時間來收集光線。從理論上說，由于目標清單上的矮星系恒星極為暗弱，需要花費10個小時的時間。

然而，隨著地球的自轉，拉斯坎帕納斯天文臺會轉離弗雷貝爾所研究的空間區域，在一個夜間對目標矮星系恒星的觀測時間只有四五個小時。為了解決這個問題，弗雷貝爾會在幾個晚上連續觀測同一批恒星。此外，由于不斷轟擊地球以及望遠鏡探測器的高能宇宙射線會降低數據質量。為此，弗雷貝爾把每一次觀測時間控制在55分鐘，并用四五個55分鐘的時間區段來觀測一顆恒星，然后轉向下一顆位于天空中不同區域的恒星。

 

 

更多觀測

計算機對銀河系誕生過程的模擬顯示銀河系周圍有大量的矮星系在繞其轉動，遠遠超過天文學家迄今所發現的數量。其中所有明亮的矮星系都已經被天文學家觀測到，而至今那些還未被揭曉的矮星系不是太過昏暗，就是離我們太遠。這意味著需要利用更加犀利的觀測工具才能發現它們。

令人興奮的是，美國卡內基科學研究所（the Carnegie Institution for Science）計劃在拉斯坎帕納斯建造一架新的望遠鏡——主鏡直徑達25米，位置就在曼奎伊峰附近的山頭上。這個數字接近克萊望遠鏡直徑的4倍。具備了這么巨大的鏡面及其終端的光譜儀，這架新的望遠鏡將可以讓天文學家觀測到銀暈中更廣袤的區域，也將更容易了解銀河系成長歷史中的所有片段。

 

本文由《環球科學》（《科學美國人》中文版）供稿，編者有刪改。

 

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銀河系的誕生秘密

圖文簡介

計算機模擬顯示銀河系周圍有大量的矮星系在繞其轉動，遠遠超過天文學家迄今所發現的數量。