恆星流

恆星流，是小星系靠近巨星系，在強大的引力潮汐作用下，逐漸扭曲、瓦解，並被拉成纖細而壯觀的星流。

基本介紹

• 中文名：恆星流
• 外文名：stream
• 解釋：纖細而壯觀的星流
• 學科：天文學

簡介

小星系一旦靠近巨星系，就會受到強大的引力潮汐作用，逐漸扭曲、瓦解，並被拉成纖細而壯觀的星流。

發現這些星際移民，需要一雙銳利的眼睛。從理論上說，這些恆星會排成長長的一串(也就是星流，stream)，從而暴露自己的行蹤，就像擁擠舞池中的康加舞隊一樣(康加舞起源於拉丁美洲，舞者會排成一個長隊一起舞蹈)。逆流追溯，有些星流會通向球狀星團或者銀河系的某個衛星星系——那裡大概是星流中恆星的發源地，有些星流則通往那些發源地如今僅存的遺蹟。但實際上，由於“土著居民”相對均勻地分布在銀河系中，星流幾乎無法從點點繁星中突顯出來，也就很難被人發現。為了克服這一難題，最近許多研究人員都採用了“匹配過濾”技術(matched-filter technique)，這是第二次世界大戰時期開發出來的技術，當時被用來獲得來犯敵機的清晰影像。只要知道了土著恆星和“星際移民”的大致形態，這項技術就能過濾掉前者，讓星流顯現出來。

發現

伊巴塔及同事在1994年發現的人馬座星流，可能是最令人印象深刻的已知星流。這條星流宛如一串巨大的恆星項鍊，環繞在銀河系周圍。它的跨度超過100萬光年，包含了大約1億顆恆星，一直連線到人馬座矮橢圓星系(Sagittarius dwarf elliptical galaxy，“矮”是指星系規模很小，“橢圓”是指星系形狀呈橢球狀)。銀河系周圍與它類似的小星系共有15~20個，它們就像衛星繞著行星一樣圍繞銀河系旋轉(因此又被稱為衛星星系)。這些衛星星系大小不等，既有質量約為銀河系十分之一的大麥哲倫雲(Large Magellanic Cloud)，也有質量為銀河系百分之一的人馬座矮星系，甚至還有質量僅有銀河系百萬分之一的暗弱星系。

居住在銀河系附近可不是一件舒服的事情。這些小星系會逐漸變形，並被最終瓦解。人馬座矮星系已經垂死掙扎了幾十億年，現已經走向瓦解。它的恆星將散落在整個銀河系中，現在這樣的星流也會逐漸消失，未來的天文學家將很難把它們與銀河系的土著恆星區分開來。其他幾個小星系也正在被銀河系肢解，有些現在只剩下了一條星流(見第81頁的表格)。大麥哲倫雲則代表了另一類較為少見的現象——銀河系從那裡奪走的是氣體，而不是恆星。

星系瓦解原因

星系瓦解背後的機制是引力的潮汐作用，這是我們非常熟悉的，同樣的機制在地球上產生了海洋的潮起潮落。一個天體的不同部分經受不同的引力作用時，潮汐力就會產生。月球對地球朝向它的一面所施加的引力，比對背向它的一面施加的引力更大。兩個力之間的差異儘管很小，不足以扯碎地球，卻足以讓海洋微微隆起。隨著兩個天體的相互繞轉，海洋的隆起部位也會跟著轉動，使地球上某一地點的海平面出現周期性的抬升或降低。與此類似，銀河系也會在衛星星系或星團的一側，施加比另一側更大的引力作用，使它們扭曲變形。在這樣的作用下，衛星星系或星團中的恆星會逐漸被銀河系拖走(見下圖所示)。久而久之，衛星星系失去的恆星就會越來越多。這些恆星像麵包上掉落的麵包屑一般，在衛星星系的前後形成了長長的尾巴。

微妙線索

更微妙的線索

星流會被銀河系逐漸吸收，最終化為無形。然而六維相空間中的微妙線索，卻能在茫茫星海之中，找到這些“星際移民”的蛛絲馬跡。

如此看來，人馬座矮星系等衛星星系在銀河系的構建過程中做出過貢獻。這些發現徹底改變了天文學家原先對星系形成的理論認識：他們曾經認為，所有的星系都直接起源於原始宇宙中幾乎察覺不到的物質密度漲落(天文學家觀測證實，早期宇宙各處的物質密度幾乎相同，僅有大約萬分之三的差異)，其後便經歷了早期的雪崩式生長，很快演化成現在這副模樣。現在，基於對星流的觀測，研究人員普遍認為，只有質量不超過10億倍太陽的矮星系經歷了這樣的快速形成過程；像銀河系這樣質量相當於千億顆太陽的大型星系，則是後來通過吸積和吞併矮星系而逐漸形成的。這種吞併過程一直持續至今，不過強度已大不如前。

蹤跡

銀河系吞噬近鄰星系的過程被天文學家抓了個正著，他們又提出了更加深入的問題：這些古老的星系“建築原料”具有什麼樣的化學組成？現在的大型星系中“星際移民”和“土著居民”的比例是多少？這些小星系帶來的化學元素如何改變銀河系早期的演化歷史？這些星流就像化石一樣，記錄著星系構建的歷史，除此之外，它們還能在探測暗物質方面大顯身手(見下頁短文)。

要弄清這些問題，天文學家不僅需要了解哪些恆星正在被銀河系掠奪，還要知道哪些恆星是已經被俘虜過來的。研究人員遇到的困難在於，一旦外來的恆星和氣體混入銀河系，我們就無法通過特有的空間分布來識別它們。天文學家必須找到更微妙的線索，來追溯這些恆星的起源，例如它們的運動模式和化學組成上的一些難以抹去的固有特徵。

我們都習慣用位置和速度來刻畫物體的運動。但運動還有其他不同的特性，可以用諸如能量和角動量之類的物理量來描述。正如物體的空間位置能夠用3個坐標來描述，因此被稱為三維空間一樣，我們也可以用位置加上動量(一共6個物理量)來描述物體的運動狀態，這個抽象的六維空間被稱為相空間(phase space)。相空間的優點在於，與真實空間相比，恆星在相空間中的排列模式更有還原性(這裡是指經歷巨大變化之後恢復原狀的能力)。儘管星系的吞併消化過程通常會破壞星流的空間結構，卻無法抹去它們在相空間的整體結構[這就是統計力學中的一個重要原理——劉維定理(Liouville's theorem)]。

因此，通過測量能量、角動量和相空間中恆星隨機樣本的密度，研究人員就能識別出無法直接觀測到的星群。它們是很久以前被銀河系瓦解的衛星星系的魅影。幾個研究小組，例如荷蘭卡普坦天文研究所(Kapteyn Astronomical Institute，位於格羅寧根市)的阿明娜·希勒米(Amina Helmi)和美國華盛頓大學的克里斯·B·布魯克(Chris B. Brook)各自領導的小組，已經用這項技術發現了一些被吞併的衛星星系的遺蹟。目前已被發現的遺蹟都位於太陽系附近，因為現有設備還無法足夠精確地測量更遙遠恆星的三維運動。

研究成果

發現14條獨特的恆星流

斯隆數字巡天計畫測量了所選區域內近25萬顆恆星的運動，尋找以相同速度飛行的星團。這次搜尋發現了14條獨特的恆星流，其中11條前所未見。美國加州大學聖克魯茲分校研究生凱文·施勞夫曼（Kevin Schlaufman）說，因為這次調查僅僅針對於銀河系的極少區域，發現14條恆星流預示著“我們可能會在銀河系剩餘區域內發現大批恆星流。”

科學家繪製出類似於銀河系的星系理論模型

施勞夫曼表示，在銀河系內7.5萬光年的範圍內有將近1000條恆星流，並估計他們觀測到的14條恆星流每一條都是獨立的結構。另外還有一種可能性，即恆星流其實比估計的數量少，因為它們在不同地區多次出現，以致研究人員認為數量很多。

哥倫比亞大學研究人員凱瑟琳·約翰斯頓（Kathryn Johnston）將恆星暈環描繪成“麵團”。她說：“在銀河系中心，一條條的恆星流簇擁在一起，你會看到它們均勻地混合在一起。但是，當你再往遠處望的時候，你開始發現一條條獨立的恆星流，以及與‘麵團皮’（pasta shell）存在諸多相似之處的特徵，這些‘麵團皮’來自處在更為瘦長軌道上的矮星。”

據約翰斯頓介紹，與銀河系擦肩而過的矮星系經引力潮的作用，被拉長為像意大利麵條一樣的一條條恆星流，恆星以不同速度在相同軌道路線上運行時，這些恆星流就會繞著銀河系風池電池般飛行。美國倫斯勒理工學院海蒂·紐伯格（Heidi Newberg）及研究人員內森·科爾（Nathan Cole）嘗試在這些恆星流繞銀河系運轉時追蹤其中一些的蹤跡。

科爾說：“將這些東西拼湊起來是巨大的挑戰，因為來自一個矮星系的恆星流可以繞銀河系旋轉，穿過從其他矮星系撕裂出來的恆星流。”紐伯格與科爾在朝處女座的方向至少發現了兩組重疊結構的恆星流。斯隆數字巡天計畫的圖像在處女座那裡揭示了覆蓋廣大區域的大量恆星。速率測試數據可以用於分離重疊結構，其中一些來自於人馬矮星系的潮汐臂（tidal arm）。

發現倖存的矮星

斯隆數字巡天計畫的數據還揭示了14顆伴隨銀河系的倖存矮星，其中兩顆在芝加哥的研討會上宣布。這些小星系如今在由無形暗物質構成的暈環內運行，暗物質的引力使得銀河繫緊緊地抱在一起。與斯隆數字巡天計畫之前發現的矮星相比，新近發現的矮星的光線更加微弱。

儘管斯隆數字巡天計畫可以探測到光線極為微弱的矮星，但只有這類矮星在其附近時才能做到這一點，所以，在銀河系暈環深處可能隱藏著數百個矮星。約翰斯頓說：“斯隆數字巡天計畫讓我們對銀河系及其鄰居的情況有了深入了解。但我們仍會開始全面地繪製銀河系的地圖，那裡隱藏著許多重大發現，供新一代探測計畫去揭示，比如斯隆數字巡天-III將要實施的兩個新的銀河系探測計畫。”

40億年前星系滅亡生成半徑15萬光年恆星流

2008年4月18日，據國外媒體報導，一支國際天文學家小組在兩個鄰近的螺旋星系外緣發現了巨型恆星流。這是天文學家第一次對星系相互吞食進行全景觀察，這種星系吞食與銀河系吞噬附近的人馬座矮星系類似。

第一個巨型星流分布於距離地球4000萬光年的星系NGC 5907周圍。這個巨型星流由至少40億年前它的一個矮伴星系毀滅形成。研究小組表示，這個矮星系以恆星、星團和暗物質的形式失去大部分質量。所有這些均遍布在它的軌道周圍，最NGC 5907終形成一個複雜的十字形“星系化石”集合，“星系化石”的半徑長達15萬光年。

西班牙卡納利天文物理研究所研究員、進行此次觀測的研究小組負責人大衛·馬丁內斯說：“我們的觀測結果為了解螺旋星系周圍出現的壯觀天文現象提供了新視角。暈輪中含有‘矮星系化石’，為我們研究類似銀河系的星系形成的最後階段提供了一個特殊機會。”天文學家的尋找之旅並沒有發現被吞噬的星系的主要天體，他們依此斷定這個星系現已被完全摧毀。馬丁內斯說：“這些星流很難被探測到，所含恆星的密度極低。這種低密度讓它們給人一種可怕的感覺。如果與矮星系之死聯繫在一起，它們可能被稱之為現已被吞噬的星系的鬼魂。”

在此次觀測過程中，研究小組還在星系NGC 4013中發現了另一個巨大細長的環狀恆星流。NGC 4013位於大熊星座，距地球近5000萬光年。這一星流從中心伸出的鬼魂般的尾巴長度超過8萬光年，由古老的貧金屬恆星組成。雖然尚不清楚它的三維結構，但可能與麒麟星座的“星流”非常類似，所說的“星流”是圍繞銀河系的恆星組成的一個環，由30億年前一個矮星系毀滅形成。

加拿大維多利亞大學理論天體物理學家、研究小組成員約格·帕爾魯比亞擅長創建星流模型。帕爾魯比亞表示：“與這些星流相匹配的理論模型允許我們再現它們的歷史，並描述其中一個最為神秘同時也最具爭議的星系組成成分——暗物質。”

馬丁內斯說，為了完成此次尋找和探測星流的工作，研究小組邀請著名天體攝影師傑伊·賈巴尼加盟。在獲取圖片過程中，賈巴尼的幫助起到了決定性作用。事實再次證明，業餘人員能夠為天文研究做出巨大貢獻。多年來，賈巴尼便利用位於新墨西哥和澳大利亞的小型自動望遠鏡獲取引人入勝的彩色深空圖片。他的圖片曾刊登在世界上最為流行的天文學雜誌。賈巴尼在此次觀測中的表現證明，業餘天文學家能夠為21世紀的天文學研究做出潛在貢獻。在新技術幫助下，他們有能力參與競爭激烈的國際科研項目。

3條恆星流環繞著銀河系

2007年，美國科學家在銀河系周圍發現三條恆星流，這些恆星流可能是“遭到肢解”的星團和星系的殘留物。

恆星流的發現表明，銀河系可能對這些“匆匆過客”而言是個不能久留的危險之地。美國加利福尼亞理工學院的研究人員卡爾·格里爾邁爾近日在美國天文學會大會上詳細描述了他們的發現。這些恆星流據認為形成於數十億年前，當時銀河系的引力緩慢地將球狀星團、甚至矮星系撕裂分開。這些恆星之間的距離曾經十分緊湊，但在高速經過星系暈時，在銀河系的引力作用之下，它們的運行速度減緩，相互間的距離達數光年遠。 在此項研究中，格里爾邁爾及同事分析了來自“斯隆數字巡天”(SDSS)計畫的數據，對恆星顏色和發光強度進行了比較，把相似的恆星分成一組。結果發現，在最新找到的恆星流中，其中兩個距地球約13,000光年遠，有可能是由數十萬個古老恆星組成的球狀星團的殘餘物。天文學家已確定了約150個繞銀河系運行的球狀星團，不過他們認為過去宇宙中可能存在數千個此類星團。

第三個恆星流距離地球約130,000光年遠，可能是目前已知距離銀河系最近的矮星系。迄今為止，天文學家在銀河系發現了約20個矮星系，但同時他們對為何不能找到更多矮星系充滿困惑。格里爾邁爾在接受美宇航局太空網採訪時表示：“新發現可能向我們揭示了看不到它們的原因，因為它們的分布狀況全部與上述這些恆星流很相似。”他接著解釋說，矮星系同銀河系之間可能存在著一個安全距離，任何越過雷池一步的矮星系可能會被“烤焦”。

天文學家認為，矮星系中由數億顆恆星組成，可能充滿了暗物質，暗物質被認為是將銀河繫緊緊粘在一起的“膠水”。據格里爾邁爾推測，恆星流在未來幾年將是科學界關注的焦點，因為它們是科學家了解銀河系過去、現在和未來的視窗，還有可能是證明暗物質存在的證據。

有關銀河系形成的一種理論稱，無數矮星系融合在一起，並持續著這種融合態勢，最終形成了銀河系。科學家推測，新發現的矮星系流可能就是這種融合的結果，在銀河系引力的誘惑之下，逐漸臣服於銀河系。格里爾邁爾說：“最新發現對銀河系考古研究而言是激動人心的時刻，發現更多恆星流確實有助於我們深入了解銀河系的結構和演變。”

銀河現11條新恆星流

據《新科學家》網站2008年8月16日報導，美國加州一大學生最近在銀河系中發現了11條新的恆星流，有科學家認為這一發現為宇宙中“暴力事件”的存在提供了新的證據。

來自美國加州大學的學生凱文（Kevin Schlaufman）在觀測銀河系內光環恆星自轉的速率時，發現了11條新的恆星流，而此前這個區域只有兩條恆星流。這11條恆星流都差不多以相同的速度在運動，這表明它們來自同一個地方，很可能是被我們的銀河系從它附近的矮星系中吞噬過來的。

在此項研究中，凱文和他的導師康妮（Connie Rockosi）教授分析了來自“斯隆數字巡天”（Sloan Digital Sky Survey）計畫的數據。他們發現，在我們的銀河系中有一個範圍為75000光年的區域，這個區域中大約有1000條恆星流，它們都是我們銀河系從其他星系中掠奪過來的。康妮教師表示，這表明宇宙中“暴力事件”是經常存在的。

康妮教授介紹，小星系一旦靠近巨星系，就會受到銀河系強大的引力潮汐作用，逐漸被扭曲、瓦解，並被拉成纖細而壯觀的星流。這11條恆星流的發現表明，我們的銀河系是很“暴力”的，不過這在宇宙種非常常見，而宇宙種“暴力事件”的背後則是引力的潮汐在起作用。這種引力潮汐作用對地球也有影響，比如地球上海洋的潮起潮落。