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银河系里的“考古”

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    发表于 2018-9-21 20:41:24 | 显示全部楼层 |阅读模式

      近日,天文学家使用哈勃太空望远镜首次精确测量了地球与宇宙中最古老天体系统之一——球状星团NGC 6397的距离。最新测量表明,134亿岁“高龄”的NGC 6397距离地球7800光年。
      7800光年意味着什么?银河系直径为10万光年,地球距离银河系中心2.6万光年。从银河系或宇宙尺度来看,NGC 6397算得上是地球在银河系的一位近邻。
      那么问题来了,为何地球周围会有如此“年老”的星团?宇宙膨胀没有让它远离地球吗?星团内的所有恒星年龄都一样吗?天文学家又是如何测定天体年龄的?
      抱团取暖并非人类的专利。成千上万甚至数十万颗恒星聚集在一起,形成外貌呈球形的恒星集团,它被称为球状星团。因为被引力紧紧束缚,星团内的恒星向中心高度集中,越靠近中心,恒星越密集。

      有喜欢抱团的自然就有喜欢松散的,球状星团和疏散星团是银河系里的两种主要星团。球状星团比较“年老”,一般有100亿年以上的历史,疏散星团相对年轻。
      “不管是哪一种星团,它之所以叫星团,都暗含一个假设,即这个星团里所有的恒星都是在同一时期产生的。原则上我们认为它们应具有相同的初始化学成分,不同的演化轨迹主要反映了它们的质量不同。”国家天文台副研究员李海宁解释道。
      通常人们认为,宇宙大爆炸之初产生的物质随着宇宙膨胀不断向外扩散,离地球越远的天体年纪越大。比如一个天体距离地球100亿光年,它发出的光照到地球上需要100亿年的时间,可想而知它的年龄至少有100亿年。
      为何在地球周围会有“年老”的星团?宇宙膨胀没有让它们远离地球吗?
      天文学上有一个概念叫共动。事实上,地球不是太阳系的中心,也不是银河系的中心,更不是宇宙爆炸的起点。当银河系形成后,银河系本地有一些非常“年老”的物质,地球和它们随着宇宙的膨胀一起膨胀,这是共动的一种体现。
      宇宙是否存在中心或宇宙中心在哪仍是个未知数,我们所在的位置只是宇宙中很普通的一个点,跟其他任何地方是一样的。如果宇宙膨胀速度非常快,而且大致比较均匀,可以认为每个地方应该都有最早期的那些物质和信息。所以,并不是离地球近的就一定是年轻的物质。
      研究表明,银河系在演化过程中吸引并吞噬了周围许多较小的星系,并逐步将这些小星系的恒星融进银河系。小星系被吞噬后,会在银河系引力作用下形成一道横跨天空的暗弱星流。
      目前科學家已经在银河系中发现了多条来自早已消失的卫星系的星流,这证实了一个理论:起初银河系很小,它通过大规模吞噬小星系来增加质量,这一过程称为“等级式结构形成”。科学家希望通过研究这些星流来探究银河系的形成之谜,即“银河系考古”。
      现有理论认为,宇宙年龄大致为137亿年。为了探索宇宙的起源和演化进程,人们把目光投向距离地球非常遥远的天体。因为距离地球越远,意味着天体年纪可能越大。然而遥远的天体光芒相对较暗,对观测技术和设备的要求很高,观测难度很大。受观测技术和设备所限,目前对早于100亿年前的可视物质的形成,即第一代恒星形成和星系形成的历史知道得很少。
      既然远距离观测难度很大,而且在地球周围就有接近宇宙年龄的天体,是不是可以在近处进行“考古”?答案是肯定的。
      相对于传统的远距离观测,在银河系内寻找“化石”来研究宇宙演化的方法称为近场宇宙学。一些古老的天体保留了许多宇宙婴幼儿时期的重要信息,天文学家亲切地称它们为“宇宙化石”。
      事实上,古老地质年代的地球以及当时生长着各种生命的情景早已消逝,但科学家可通过研究化石为生物的起源和演化勾勒出合理的图景。同样,宇宙演化进程也可以寻找类似的“宇宙化石”进行研究。
      经过数十年的研究,银河系考古学家从斯隆数字巡天项目的数据中得到了一幅高质量的银河系恒星三维分布图。该项目建立了一个包含银河系8000多万颗恒星的数据库,这些恒星所在的范围覆盖了1/4的天区,恒星的距离、颜色等信息也被记录在其中。
      在斯隆数据库记录的大量恒星信息中,闯入银河系的恒星数量大约有近100万颗,天文学家可以利用它们寻找很久以前就已消亡的星系存在的证据,银河系考古学家还能利用它找到那些位于银晕中的恒星,针对性的寻找方式可以让研究人员更好地探究星流的奥秘。
      2003年,研究人员在银河系已知最近的卫星系——人马座矮星系流出的巨型尾状结构找到了第一个具有说服力的星流证据。此后,银河系考古学家从斯隆数据库中又发现了十几条围绕银河系的星流。这些发现表明,银河系在早期历史中吞噬星系的频率更高,此后由于可供其“进食”的矮星系数量减少,这一频率逐渐降低。
      研究“宇宙化石”、进行宇宙“考古”需要测量恒星的年龄。测量恒星年龄主要有三种方法,即赫罗图、测同位素法、星震法。
      天文学家将恒星的光度以及表面温度共同标识在一张图上,便形成了赫罗图。这是天文学家研究恒星演化的必备工具,能让科学家对恒星进行“年龄普查”。恒星一生中的大部分时间都处于主序带上,观测它在赫罗图主序带上的位置,再与理论给出的模型比较就能推断出它在主序带上演化了多久,从而推测它的年龄。
      在地球上考古时,为了解某个器物的年龄,人们通常采用测碳同位素的方法,在测量天体年龄时也有类似的方法。比如测量出恒星光谱后,每一条谱线对应某一种元素,对谱线进行分析就能推断出恒星里含有多少铀、钍等放射性元素,进而通过衰变元素的丰度比来判断恒星的年龄。根据恒星演化理论,能够通过两种放射性核素的含量比值推算出这颗恒星的年龄。
      星震法是探测距离比较近的恒星内部的脉动特征,再与相关的理论模型比较,从而准确地判定它演化到什么阶段,再结合它的质量就可以推断它的年龄。
      精确确定恒星年龄可不简单,这三种方法各有长短。随着盖亚卫星观测数据的释放以及凌日系外行星勘测卫星开始全天观测,我们将能获取银河系恒星更多、更准确的数据,更精准地确定它们的年龄,从而更深入地探究宇宙的演化轨迹。
      通过NASA哈勃望远镜对银河系中心区域进行“考古”,天文学家们发现了一些银河系形成初期的线索。
      在深入研究了银河系中央高密度的星系集合之后,研究人员发现了一些曾经占据河心的恒星残余物——大量古老的白矮星。这些白矮星的发现进一步揭示了银河系的早期形成过程,该过程远远早于地球和太阳的形成。
      正如任何古代遗址一样,新发现的白矮星记录了一段上古时代的历史。120亿年前恒星发生巨变,随着内部燃料耗尽,恒星残骸冷却,最终演化为白矮星,我们可以通过它们了解银河系早期的壮丽岁月。
      对哈勃数据的分析显示,银河系银核中的恒星是在银核形成后的不到200万年内演化而成的。银盘周围区域内第二和第三代恒星的生成则缓慢得多。
      天文学家也利用其他的恒星特性来寻找更消散的星流和已经完全解体的星流遗迹,从而探索银河系形成过程。近日,一个国际科研团队发布了对银河系内34万颗恒星“DNA”——恒星化学元素(如铁、铝和氧)含量的调查结果,这是迄今对银河系内恒星进行的最大规模的调查。新数据有助于天文学家找到太阳的出生星团,并研究银河系的形成和演化历程。
      过去10年,人们对环绕银河系星流的研究有了许多惊人的发现。未来,这些发现将极大地扩展人类对星系形成的认知。

    出处:发明与创新·中学生 作者:

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