在现代卫星、数字模拟技术的帮助下，过去两年，天文学家们改写了星系的历史，银河系有了一个新的起源故事。
20世纪，天文学家发现，银河只是一个巨大的“恒星岛”的一部分，他们写下了一个银河起源故事：我们的银河系在近140亿年前聚集在一起，当时巨大的气体云和尘埃在重力的作用下凝聚在一起。随着时间的推移，出现了两种结构：首先是一个巨大的球形“光环”，然后则变成一个密度大、亮度高的圆盘。数十亿年后，太阳系在这个圆盘中形成，开始围绕其中心旋转。因此，当我们在夜晚向星空望去时，像看到溢出的牛奶溅过天空的景象。
在过去的两年里，研究人员几乎改写了银河系历史的每一个主要章节。因为他们得到了更好的数据。
2018年4月25日，一艘名为盖亚的欧洲飞船发布了数量惊人的有关星空的数据资料。关键是，长达数年的“盖亚”数据集描述了大约10亿颗恒星的详细运动。此前的调查仅绘制了数千颗恒星的流动图。这些数据让原本沉寂的银河系成为天文学研究的热点。法国斯特拉斯堡天文台的天文学家费德里科·塞斯蒂托说：“盖亚开始了一场新的革命。”
天文学家争先恐后地下载动态星图，随之而来的是一连串的新发现。例如，他们发现圆盘的某些部分看起来古老得不可思议。他们还发现了塑造银河系活力的史诗般的暴力碰撞的证据，以及银河系将继续以意想不到的方式进行搅动的新迹象。
综上所述，这些结果为银河系动荡的过去和不断演变的未来编造了一个新故事。爱丁堡大学的天文学家迈克尔·彼得森说：“我们对银河系的看法变化得太快了。银河系不是静止的，其各个部分都在迅速变化。”
最早的星星
最初，天文学家在星系周围寻找恒星。这些恒星由宇宙中最原始的物质氢和氦形成。幸运的是，早期较小的恒星燃烧缓慢，所以许多恒星仍然发光。
经过几十年的调查，研究人员已经收集了42个这样的古恒星，它们被称为超贫金属星（ultra metal-poor star）（对天文学家来说，任何比氦大的原子都可以称为金属）。根据以往对银河系的标准认知，这些超贫金属星应当遍布银晕，即银河系最初形成的部分。相比之下，银河系盘面——被认为需要额外约十亿年的旋转才能变得扁平——中的恒星应该具有较多碳和氧等更重的元素。
2017年末，塞斯蒂托开始研究这这群超贫金属是如何移动的，他编写了代码来分析2018年即将公布的盖亚观测数据。他认为，也许它们的球形路径可以为银晕的形成提供一些线索。
在盖亚公布数据后的几天里，他从完整的数据集中提取了42颗古老恒星，然后跟踪它们的运动。正如所预测的那样，大多数恒星的流动都穿过了银晕，但是大约有四分之一不是这样，而是被卡在了银河系最年轻的区域——盘面上。“见鬼，”塞斯蒂托想知道，“到底怎么回事？”
后续研究证实，这些恒星确实是长期存在于盘面上，而不仅仅是过客。根据最近的两项调查，塞斯托和他的同事收集了大约5000颗贫金属恒星的图书资料。其中，几百颗似乎是该盘面的永久居民。另一个小组筛选了由另一项调查而确定的大约500颗恒星，其中，大约十分之一的恒星平躺在类似太阳的圆形轨道上。第三个研究小组发现了不同金属度(不同年龄)的恒星在平圆盘轨道上运动。“这是一个全新的情况，”巴黎天文台的天文学家、项目研究的第一作者宝拉·迪·马特奥表示。
这些不同恒星的不同状况是如何形成的？塞斯托推测，也许原始气体团设法躲过了超新星排出的所有金属，然后坍缩形成看似古老的恒星。或者圆盘可能在银晕形成时就已经开始成形，比原先预的提前了近10亿年。
为了弄清哪种可能性更大，他联系了德国波茨坦莱布尼茨天体物理研究所的研究员托拜厄斯·巴克(Tobias Buck)，他专门从事数字星系模拟。在以往的研究中，天文学家一般认为银晕先产生，然后才形成银盘，但这些研究都是基于分辨率相对较低的数据。
巴克把他模拟的清晰度提高了大约10倍。在这个分辨率下，每次运行都需要大量的计算资源。尽管他可以访问德国的莱布尼茨超级计算中心，但一次模拟需要三个月的计算时间。他重复了六次模拟实验。
在这些数字模拟中，从早期宇宙到今天，一个类似银河系的星系形成并演化了138亿年。最左边一栏显示的是不可见暗物质的分布；中心柱表示气体的温度(蓝色表示冷，红色表示热)；右边一列是恒星的密度。每一行突出显示不同的大小比例:最上面一行是放大后的银河盘；中间一列是银河光环的中景；最后一行是银河系周围环境的缩小图。
在6次模拟中，有5次产生了与银河系极为相似的“二重身”；其中两次模拟的特征是出现了大量贫金属银盘恒星。
那些古老的恒星是怎么进入圆盘的？简单地说，他们是一流的移民。他们中的一些恒星出生在银河系之前的云层中。然后，这些云恰好将它们沉积到轨道上，最终形成银盘的一部分。其他恒星来自于较小的“矮”星系，并在猛烈撞击银河系之后，融入了正在形成的银盘。
该小组在11月公布的结果表明，过去经典的星系形成模型是不完整的。正如所料，气体云确实会坍缩成球形银晕。但是，恰好以正确的角度到达的恒星可以同时启动一个圆盘。“理论家没有错，”巴克说。"他们漏掉了部分画面。"
影响不止于此。有了盖亚，天文学家们发现了大碰撞的直接证据。
天文学家认为，至少有一次大碰撞发生在银河系的早期。银河系有一个躁动的青年时期。赫尔默·科佩尔曼(Helmer Koppelman)现在是新泽西州普林斯顿高等研究所的天文学家，他利用盖亚数据帮助确定了一次最大规模碰撞中的特定碎片。
科佩尔曼回忆说，盖亚2018年的数据发布在周三，疯狂下载目录的热潮导致网站崩溃。他在周四处理了数据，到了周五，他知道自己有了重大进展。在每个方向，他都看到大量银晕恒星以同样奇特的方式在银河系中心来回跳动——这表明它们来自一个矮星系。科佩尔曼和他的同事在周日之前准备好了一份简短的文件，并在6月份进行了更详细的分析。
银河残骸到处都是。在银晕内部60000光年(向各个方向延伸数十万光年)的所有恒星中，可能有一半来自这一次的碰撞，这可能使年轻的银河系的质量增加了10%。“这是一个游戏规则的改变者，”科佩尔曼说，"我认为有许多不同的更小的物体。"
研究小组把这个撞向银河系的矮星系命名为“盖亚-恩克拉多斯”（Gaia-Enceladus）——以希腊女神盖亚(原始神之一)和她的泰坦儿子恩克拉多斯的名字命名。剑桥大学的另一个团队大约在同一时间也独立发现了这个星系，并因其在某些轨道图中的出现而将其命名为香肠。
100亿年前，当银河系和盖亚-恩克拉多斯相撞时，银河系脆弱的圆盘可能遭受到广泛的破坏。天文学家们争论为什么我们的银盘似乎有两个部分:一个薄盘，一个厚盘，恒星围绕银河系中心上下蹦极。
迪·马特奥领导的研究现在表明，盖亚-恩克拉多斯的大部分圆盘发生了爆炸，并膨胀起来。“第一个古老的圆盘形成得相当快，我们认为盖亚-恩克拉多斯摧毁了它，”科佩尔曼说。
在称为球状星团的恒星束中，科学家发现了额外合并的迹象。德国海德堡大学的天文学家迪德里克·克鲁伊森(Diederik Kruijssen)使用星系模拟来训练神经网络来观察球状星团。通过星系模拟，研究它们的年龄、构造和轨道。根据这些数据，神经网络可以重建星系的碰撞过程，然后把它放在真实银河系的数据上。该项目重建了已知事件，如盖亚-恩克拉多斯，以及被称为“北海巨妖”的更古老、更重要的大碰撞。
2020年8月，克鲁森的团队公布了银河系和形成它的矮星系的合并谱系。他们还预测了过去其他10次碰撞的发生，希望通过独立观察得到证实。“目前我们还没有找到这10次碰撞的线索，”克鲁森说，“但我们会找到的。”
所有这些合并导致一些天文学家认为，银晕可能几乎完全由移民恒星组成。而20世纪60年代和70年代的模型预测是，大多数银河系银晕恒星应该在原地形成。迪马特奥表示，随着越来越多的恒星被确定为银河闯入者，天文学家可能不需要假设许多(如果有的话)恒星是本地的。
一个仍在成长的星系
最近亿万年里，银河系享有相对平静的历史，但新来者继续涌入。南半球的观星者可以用肉眼发现一对被称为大麦哲伦星系和小麦哲伦星系的矮星系。长期以来，天文学家认为这对行星是我们坚定的轨道伙伴，就像银河系的卫星一样。
然后哈勃太空望远镜在2006年至2013年间的一系列观察发现，它们更像是来袭的陨石。弗吉尼亚大学的天文学家尼蒂亚·卡尔里瓦亚勒(Nitya Kallivayalil)记录到，云以每秒330公里的速度进入大气层，几乎是预测速度的两倍。
几年后，当爱丁堡皇家天文台的天文学家豪尔赫·佩纳鲁比亚领导的一个小组处理这些数字时，他们得出结论，这些云可能比以前想象的要大10倍。
“这是一个又一个惊喜，”佩纳鲁比亚说。
许多研究小组都预测，这些“粗壮”的矮星可能会拖着银河系的一部分旋转。佩纳鲁比亚开始与彼得森合作寻找相关证据。
探寻整个银河系的活动存在的挑战是，银河系是一一场肆虐的恒星风暴，天文学家只能从一片雪花中往外看。所以佩纳鲁比亚和彼得森花了大部分时间研究如何地球和太阳的活动，以及银晕恒星的活动，这样银晕的外边缘就可以作为静止的背景。
当以这种方式校准数据时，他们发现地球、太阳和他们所在的圆盘的其余部分正在向一个方向倾斜——不是向大麦哲伦云的当前位置，而是向大约10亿年前的位置(彼得森解释说，银河系是一个反应缓慢的笨重的野兽)。他们最近在《自然天文学》上详述了他们的发现。
圆盘相对银晕的滑动破坏了一个基本假设：银河系是一个平衡的物体。它可能会在太空中旋转和滑动。大多数天文学家认为，几十亿年后，成熟的圆盘和银晕已经稳定下来。
佩纳鲁比亚和彼得森的分析证明了这个假设是错误的。即使在140亿年后，碰撞合并仍在继续塑造银河系的整体形状。这种认识是一个最新变化。
彼得森表示:“我们过去所知道的关于银河系的历史和未来的一切，都需要一个新模型来描述。”
原文来自量子杂志(Quanta Magazine)，量子杂志是西蒙斯基金会的一份编辑独立出版物，其使命是通过报道数学、物理和生命科学的研究发展和趋势，提高公众对科学的理解。