为银河系的历史绘制一张动力学地图

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翻译：盛衍钧

校对：艾宇熙 涂天宇

编排：王招君

后台：胡永葳 李子琦 董腾晨

原文链接：

https://www.mpg.de/18263284/milky-way-mergers

参考文献：The Global Dynamical Atlas of the Milky Way mergers: constraints from Gaia EDR3 based orbits of globular clusters, stellar streams and satellite galaxies", 2022, K. Malhan et al., Astrophysical Journal

由德国马克斯普朗克天文学研究所的 Khyati Malhan 领导的一组天文学家创建了一个记录其他较小星系与银河系发生并合的图谱。尽管在之前的研究中，科学家们已经“手动”重建了这些并合现象，这项新的工作利用了欧空局盖亚任务提供的数据，对 257 个星流、球状星团和卫星星系进行了系统的统计评估，确定了总共六次并合事件——其中一次是以前未知的，研究人员将其命名为“Pontus”（Pontus是希腊神话中盖亚女神的第一个孩子，名字有“大海”的意思）。新的结果使我们朝着更完整地重建银河系几十亿年历史迈出的重要一步，它们被发表在了《天体物理学杂志》上。

Khyati Malhan和他的同事们分析了银河系和星流（彩色圆点）、球状星团（星星符号）和矮星系（小正方形），以获取他们的银河系并合事件图谱。

在艺术家们对银河系的印象中，我们的家园星系看起来像一个明亮的恒星盘，其中一些恒星形成了旋转的旋臂。-相比之下，银河系的晕不那么显眼但很有趣：这是一个巨大的球形恒星区域，包围了整个银盘和其周围区域。在银河系形成和演化的当前图景中，这个晕包含了我们银河系中那些最古老的恒星。

这些晕是银河系与其周围环境相互作用的档案。每隔一段时间，就会有一个较小的星系到达离银河系很近的位置，以至于银河系的引力会捕捉到它。银河系的引力会更强烈地作用于其他小星系中离我们较近的部分，而对那些更远的部分作用较弱，因此被捕获的星系的一部分通常会被拉成一条长长的由恒星和气体组成的星流。星流将继续围绕着晕运行，尽管在接下来的数十亿年里，它的恒星分布会越来越分散。

较小星系的其他组成部分也可能被保存在了银晕中。星系包含了所谓的球状星团：它们是一类致密的星团（大部分是较老的恒星），受自引力的强烈约束。此外，星系通常由更小的卫星星系环绕。与银河系并合时，这些较小星系的球状星团和卫星星系也可能最终进入银晕中。

来自欧空局盖亚卫星的精确数据

这项研究之所以成为可能，是因为最近有一个独特的数据集可供使用：欧空局盖亚任务第三次数据发布的早期版本（EDR3）。盖亚卫星于2013年发射升空，并于2016年9月首次发布数据，为超过10亿颗恒星提供了天体测量数据，特别是精确的位置以及有关它们在天空中位置变化的信息（恒星的自行）。

盖亚卫星已经将人们已知的星流的数量从大约 25 个增加到大约50个。事实上，如果你去观察那些包含了星流的天空区域的图像，你将很难识别出这些它们的位置。盖亚的数据包括了数十亿颗恒星的视运动，并且在第二次的数据发布中补充了对700万颗恒星径向速度的测量（恒星远离我们或接近我们的运动），从而有助于重建恒星的运动状况。如果我们发现一个区域附近的恒星朝着相同的方向移动，它们很可能来自同一个星流。

Malhan和他的同事们使用的盖亚数据不是针对单独的恒星，而是针对银晕中的星流、球状星团和卫星星系。

有几种方法都可以描述引力势中的运动，但一组特定的量，即所谓的“运动变量”，特别适合他们手头的任务。类似于可以从物体的运动中计算出来的能量或角动量等物理量，运动变量们要更抽象一些。但它们有一个关键的优势：随着一个较小的星系与银河系合并，其所有组成部分（恒星、卫星、球状星团）的运动变量的值，在整个并合过程中都非常相似。反过来，对运动变量值的分析提供了关于哪些天体最初是属于同一星系的信息，因此它们也属于同一个并合过程。

研究人员根据盖亚EDR3的数据计算了总共 170 个球状星团、41 个星流和 46 个卫星星系的运动变量值。对于其中 62 个天体，他们的统计分析确实能够将它们分配到总共六个不同的并合过程中，其中五个是以前已知的：人马座矮星系并合事件（Sagittarius）、鲸鱼座并合事件（Cetus）、盖亚香肠（Gaia-Sausage/Enceladus）、悟空（LMS-1/Wukong）和红杉（Arjuna/Sequoia/I'itoi）。

在他们的分析中，研究人员还发现了一种此前完全未知的并合事件。他们将这次并合以及在那次与银河系并合的小星系命名为 Pontus。Pontus以相对较低的能量朝着与银盘旋转相反的方向移动——这可能暗示了这一特定的并合发生在很早期。

该分析还提供了有关先前已知并合事件的新数据：它表明三个先前已知的星流是悟空并合事件的一部分，该合并于 2020 年发现。有趣的是，这些星流是已知的最“贫金属”星流——用天文学的语言描述，比氢和氦重的元素都是金属元素。如果前身星系中很少含有这些重元素，那么它很可能在宇宙历史的早期就已经形成了。（不过，那个星系与我们的银河系的并合可能在相当长的一段时间后才发生。）

至于剩下的195个天体，科学家们认为有如下的几种可能。这些天体可能是与银河系并合的小星系的一部分，并没有留下较大的天体群。它们也可能暗示了目前所用研究方法的局限性。值得注意的是，研究人员“通过肉眼”发现了第七次并合的候选者，检查了它们的运动变量图，而自动搜索忽略了它以及另外两个（已知的）并合事件。总而言之，重建银河系的宇宙历史需要几种互补的方法。我们的家园星系在其生命周期中已经与其他的大质量星系发生过大约九到十次并合事件，而上述的这六次并合事件（加上额外的候选）占据了它们的大部分。

目前的分析结果还不允许重建事件链——不同并合事件发生的顺序。这也是研究人员们希望去重建的下一个环节，即通过数值模拟来探索这些并合事件是如何产生的。如果一切顺利，数值模拟和可用观测数据之间的比较可以帮助我们重建银晕在过去数十亿年中是如何形成的。

责任编辑：邱煜欣

牧夫新媒体编辑部

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Image Credit : Jason Guenzel