《自然》:這個關於銀河系的基本認知,被完全顛覆了

北京新浪網 09-14 10:30

一直以來,人們在對銀河系進行研究時,都認為其中的星際氣體是混合均勻的。一方面,這是由於以往觀測技術的限制;另一方面,看上去「虛空」浩渺的星際空間,似乎也讓這個假設看起來合理。一項最新的天文學研究卻顛覆了這個傳統觀念:銀河系不僅不是均勻的,甚至很「雜亂」,不同區域的成分可能差異巨大。這也告訴我們,茫茫宇宙中還有無窮的奧秘等待人類探索。

編譯 | 李詩源

審校 | 王昱

數以億萬級的耀眼恆星織成了銀河,點綴了黑暗的夜空。在這些彼此相距遙遠的恆星之間,也並非是完全的「真空」,而是充斥著星際介質。其中的一個重要成員,便是由恆星貢獻的「金屬」——在天文學里,所有比氦更重的元素都統稱為金屬。當恆星壽終正寢,並以爆炸完成華麗的謝幕時,它們會將自己產生的金屬(如鐵、鋅、碳和矽等)以原子形式噴射出來,釋放到星系介質的氣體中。

除了來源於恆星的金屬之外,星際介質中還有兩個重要成員。恆星噴射出的金屬會逐漸凝縮成塵埃顆粒,尤其是在星系中較為寒冷和緻密的區域。而來源於星系間、被吸入星系的原初氣體(pristine gas)不含金屬,其主要成分是氫,也含有少量的氦。原初氣體為星系提供了新鮮的「補給」,同時也為新恆星形成提供了原料。

在上百億年前,銀河系誕生之初,其中是不含金屬的,而正是恆星釋放的金屬豐富了銀河系環境的成分。了解銀河系中的氣體和金屬成分,可以幫助人們更好地理解其歷史和演化過程。

理論上,星際介質中的金屬丰度可以用極紫外吸收光譜測量。但由於塵埃中的金屬元素呈固態,而非可觀測的氣態,所以科學家無法對太陽附近以外的區域的金屬丰度作出準確測量。因此,現有的星系理論模型默認,星際介質中的三種成分(來源於恆星的金屬、塵埃和來源於星系間的原初氣體)是均勻混合的,而且在銀河系的大部分區域,金屬丰度都與太陽大氣層中(即太陽金屬丰度)相當,但在銀河系中心區域,由於恆星分佈更為密集,金屬丰度略高。

然而近日,一支由瑞士、美國、智利和法國天文學家組成的研究團隊在《自然》上發表了他們最新的研究成果,表明銀河系中星際介質的成分並未像此前人們所想的那樣是均勻混合的。相反,銀河系的不同區域,金屬丰度存在劇烈的波動。這項發現可能對現有的星系演化理論產生重要影響,也意味著對銀河系演化進行模擬的模型或許需要修正。

新的觀測技術

研究團隊使用了哈勃空間望遠鏡、甚大望遠鏡(VLT)等的觀測數據,對銀河系中的25顆恆星光譜進行了研究。「當我們觀測恆星時,恆星和觀測者之間的氣體中的金屬會吸收微量的、特定頻率的光,這一特徵吸收光譜,不僅可以讓我們得知金屬的存在,還可以告訴我們其種類以及丰度。」索爾邦大學巴黎天體物理研究所的帕特里克·珀蒂讓(Patrick Petitjean)解釋道,他也是這篇論文的作者之一。這些恆星與太陽的距離都不超過3千秒差距(1秒差距≈3.26光年)。

為校正以往觀測中塵埃對金屬丰度測量的影響,研究團隊開發了一種新的觀測技術,其中應用了兩種獨立的方法來估計塵埃對觀測結果的影響。「這項技術通過同時觀測多種元素,例如鐵、鋅、鈦、矽和氧,將氣體和塵埃的總成分納入分析。然後,我們就可以追蹤塵埃中的金屬含量,並與此前的觀測獲取的數據疊加,獲知總的金屬丰度。」研究人員對此解釋道。

並不均勻的銀河系

結果令研究團隊感到意外:不同的恆星金屬丰度並不相同,其差異可以超過一個量級。其中,丰度最低的僅為太陽的17%,最高的則超過太陽的180%。此外,大約2/3的恆星金屬丰度都低於太陽金屬丰度,平均金屬丰度為太陽的55%,這也與此前的觀點,即銀河系中各處的金屬丰度都與太陽相當,有很大的出入。此外他們還觀測到,這種不均勻性的分佈跨度可以超過數十秒差距。不過,他們沒有發現金屬丰度和恆星與銀河系中心的距離有明顯的關聯。

研究人員認為,落入銀盤中的原初氣體與金屬丰度較高的星際介質的混合,可能造成觀測到的金屬丰度較低。這些原初氣體的金屬丰度極低,它們落入銀盤時形成了高速雲團,難以有效地與星際介質混合,可能最終造成了星際介質金屬丰度分佈的不均勻。目前的觀測結果也表明,銀盤吸入原初氣體的速率遠高於產生和維持這種不均勻性的需求。也就是說,原初氣體的雲團可能非常常見,並且能解釋研究的結果。

此前科學家們認為,原初氣體與星際介質可以高效地混合。但這一新的發現表明,這一過程並沒有那麼高效迅速,可能的原因之一是,參與混合的不同組分之間的物理特性差異巨大。

金屬在恆星、宇宙塵埃、分子和行星的形成中起到了基礎性的作用。這一研究,也讓科學家們開始展望未來的銀河系研究。「這項發現,對構建關於星系形成和演化的理論模型產生了重大影響。」研究團隊的成員之一、日內瓦大學天文學院的延斯-克里斯蒂安·克羅加格(Jens-Kristian Krogager)表示,「今後,我們要進一步提升解析度,讓模擬變得更精細,將銀河系不同區域金屬丰度的差異納入考慮。」

論文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03780-0

參考鏈接:

https://www.unige.ch/communication/communiques/en/2021/surprise-la-voie-lactee-nest-pas-homogene/

本文轉自環球科學