沒有“殺手”:貪婪的銀河係正在扼殺自己
我們人類與幾千萬種生命共同生活在地球上。地球圍繞著太陽運行,而太陽與幾千億顆恆星一起圍繞著超大質量黑洞——人馬座a星運行。所以地球的故事,我們的故事,以及太陽系的故事都與銀河系的故事有關。銀河系的故事開始於136億年前,即宇宙大爆炸之後的2億多年。這是一個沒有行星和恆星的時期……
此時的“銀河系”只是一團巨大的熾熱氫氣雲,在數百萬年的時間裡,溫度逐漸下降,引力將這些團塊壓縮到一起,直到氫分子最終引爆核聚變並點燃一顆恆星。隨著時間的推移,數十億顆恆星迸發誕生了,銀河系開始成形。
事實上,銀河係與人類一樣,也是有生命週期的。當銀河系年輕的時候,處於青春期,充滿生機和活力。此時的銀河係是一個以瘋狂的方式形成恆星的年輕星系,它甚至還沒有完全成形。
在某一時刻,星系會步入中年,而中年星系實際上就是它定形的樣子。每個星係都有獨特的形狀。
但長期下去,星系會停止形成恆星,最終,就像我們人類都會死亡一樣,我們的星係也會死亡。
那麼,銀河系現在處於生命的哪個階段呢?它是一個健康活潑的小傢伙,還是要即將走向死亡?
對於如何確定星系的生命階段,科學家認為,可以通過每個星系的顏色來確定它的生命階段。
當我們看到一個偏藍色的星係時,它往往是一個年輕的星系,這個星系充滿了新形成的明亮、熾熱的恆星。而當我們看到一個偏紅色的星係時,它往往是一個更暗、更老的星系,並且不會再形成新的恆星,星系中所有的恆星都很古老,越老越紅。
各種顏色的星系
那麼,我們的銀河係是什麼顏色呢?
這是一個簡單的問題,但卻是很難得到的答案,即便是我們已經觀察銀河係有幾千年了。
“銀河系”這個術語很古老,這要追溯到古代。天黑的時候,那時人們已經註意到有一條光帶,從地平線一頭延伸到另一頭。我國古代的人們把它形像地稱之為“銀河”。
這條光帶是由成千上萬顆星星組成的,我們無法看到星系的整體。現代科學家們也是花了很長時間才意識到銀河系的形狀和規模。事實上,我們對我們自己的家園星係並不十分了解。
因為我們就生活在這個由氣體和塵埃組成的圓盤的中間,就好比是古人“不識廬山真面”一樣。使用可見光,我們甚至看不到銀河系的中心,更不用說銀河系的另一邊了。
那麼我們如何才能“看見”整個銀河糸呢?解決辦法是使用一種能穿透氣體和塵埃的光——紅外線。
斯隆數字巡天望遠鏡
位於新墨西哥州阿帕奇點天文台的斯隆數字巡天望遠鏡,它利用紅外線繪製星系地圖,給科學家們提供了前所未有的視角。
斯隆數字巡天望遠鏡耗時15年,研究了超過2.5億顆恆星,通過分析它們的光來計算出銀河系的顏色。
在這之前,科學家一直認為銀河係是一個年輕、健康的星系。但現在有證據表明,我們的星係可能正在進入死亡之路。
斯隆望遠鏡顯示,我們星系的恆星產量正在不斷下降。也就是說,銀河係正在死去,當它停止形成新的恆星時,它的時間也就結束了。
然而讓科學家們奇怪的是,我們的星系的容器中仍然有形成恆星的氣體,所以它應該是健康的,但似乎有什麼東西正在扼殺牠。
但到底罪魁禍首是誰?
【誰殺死銀河系的兇手】
這簡直就是宇宙星系的“兇殺案”現場。科學家們開始了宇宙歷史上最大的謀殺案調查。
數十億年來,銀河系一直在製造恆星。至於我們自己的恆星太陽究竟有多少歲呢?它是我們銀河系中一顆相對較新的恆星嗎?
我們的太陽在銀河系已經大約有45億年了,它並不是迄今為止最古老的恆星。然而,不幸的是,太陽實際上似乎是銀河系中最後一代新恆星之一。
目前的預測表明,在大約40億年內,恆星的形成可能將全部停止。這在宇宙的生命週期中,只是一個很短的時間。
銀河係是如何消亡的?最關鍵的問題是什麼?科學家們認為,要消滅一個星系,只需擺脫冷的氣體就可以,因為恆星是由冷的氣體形成的。
科學家們認為,有很多方法可以做到這一點。可以從裡面炸開,把冷的氣體排出去;可以把它從外面吸走;可以把它加熱,這樣它就不再冷了;抑或是把冷的氣體全部用完。
科學家們要弄清楚就是,在我們的星系中發生了什麼,也許罪魁禍首就在銀河系內部。
有一條線索來自另外一個星系——w2246-0526。
科學家稱它為一個熱的、塵埃遮蔽的星系,簡稱為“熱狗星系”。
w2246-0526星系
這個星系距離我們125億光年,它是我們所知的宇宙中最明亮的星系。它有300萬億顆恆星那麼亮。強烈光的來源不是它的恆星,而是在星系中心的一個神秘的物體——超大質量黑洞。
它們的質量是太陽的數十億倍,它的引力大得驚人,它吞噬了熱狗星系中大量的那些賴以形成恆星的氣體。
當氣體旋轉形成一個圓盤時,強烈的摩擦將其加熱到數百萬度,並最終引發了巨大的噴射流。高能噴流直徑可達數万光年。
黑洞噴流對星係是有害的,因為它們可以加熱氣體,把氣體吹出星系,從而阻止恆星的形成並最終殺死星系。
那麼我們銀河系的超大質量的黑洞人馬座a星,是否就是那個扼殺銀河系的元兇呢?
2016年,哈佛大學的科學家發現了確鑿的證據,就像熱狗星系一樣,銀河係也被一大片噴發出來的氣體所包圍。科學家們追踪到了這些氣體的源頭——人馬座a星。
事實證明,我們的超大質量黑洞在600萬年前遇到了一點小麻煩。有證據表明一定有某種物質掉進了黑洞,由於自身的摩擦而過熱,這在某種意義上,就像爆炸一樣。
那是一個大事件,我們的星系排出了數量驚人的氣體……是太陽質量的1300億倍!
大量氣體的排出,對星系內部一定是災難性的。幸運的是,地球在銀河系的外圍,在那裡我們能夠逃過一劫。
那麼這個“罪證”是否就能證明人馬座a星正在殺死銀河係嗎?
科學家們認為“證據不足”。因為人馬座a星在600萬年前的這個事件,在星系的生命週期中,這個是非常近的事件,它不應該真正影響恆星的形成速率。
除非我們的超大質量黑洞在數億年前就非常活躍,才能阻止我們星系中所有恆星的形成。
但那時的人馬座a星並不活躍,所以人馬座a星有“不在場證明”,它被排除懷疑。
【“肇事逃逸”的兇手】
科學家們正在尋找另一種星系殺手,也許兇手不在銀河系裡。天文學家檢查了銀河系的“身體”以尋找線索。
銀河系的圓盤由三個部分組成:一個銀心,星系超大質量黑洞的所在地;一個是直徑達1萬光年的緻密中央凸起;還有就是螺旋臂,充滿了氣體,塵埃和數十億顆恆星。
旋臂應該是平的,但它們卻是波紋狀的,這是否會是我們的星係正在消亡的線索嗎?
這個神秘的波紋,它的起源是什麼?科學家們認為一定是什麼原因造成的,這種事不會自己發生的。
真正的問題是,為什麼會這樣?不管是什麼引起的漣漪,它並沒有留下來。這是銀河肇事逃逸的證據嗎?
2016年一月,研究維斯塔天文望遠鏡數據的天文學家發現了一些不可思議的東西——三個鄰近恆星正以每小時35萬英里的速度飛行,它們剛剛離開我們的星系。這些恆星正以超高速偏離銀河系。
是否有可能是這三顆恆星會以某種方式導致銀河系盤的扭曲嗎?絕對不可能,銀河係比三顆恆星要大得多,三顆恆星不可能扭曲一個星系。
但是這三顆恆星可以代表更多的這樣的恆星存在,它們可以表明,比如說一個矮星系,而它卻可以扭曲星系。
很多時候,我們往往會被大的東西分散了注意力,比如最大的星系。但在很多情況下,最重要事物是一些很小的事物。比如這些矮星係就是這樣,這些非常小的星係可能就是最重要的東西。
十幾年以前,科學家們認為最小的星系應該擁有大約十萬顆恆星,而現在,科學家們知道有幾十個星系只有100顆或1000顆恆星。事實上,宇宙中最多的星係可能就是這些只有幾百顆恆星的矮星系。
矮星係有很多,但是相對於銀河系大小的星係來講,它們只有一小部分那麼大。所以它們很難被發現,但這三顆明亮的恆星表明在銀河系的邊緣外隱藏著一個矮星系。
科學家們可以通過研究這三顆恆星,讓時間倒流,追溯矮星系過去的運動軌跡。模擬表明,數百萬年前,這個矮星系穿過了銀河系的平面。隨著快速移動的矮星係向銀河系疾馳而去,數百萬顆恆星似乎正朝著碰撞的方向前進。
矮星係正在與銀河系進行碰撞
那麼星系的碰撞是否意味著兩個星系的恆星會發生碰撞呢?實際上,這是不會發生的。
因為星系大多是空曠的空間,如果拿太陽來說,它的確真的很大,有1392000公里寬。但如果把它縮小到花粉的大小,那麼星系本身的大小將是太平洋的兩倍!離太陽最近的恆星也將在15公里之外。
這些“小花粉粒”幾乎永遠不會相互碰撞,恆星間的距離是非常驚人的。所以當兩個星系相互碰撞時,兩個星系的絕大部分恆星是完全碰不到對方的。
但這並不意味著銀河係是安全的,儘管恆星之間只是擦肩而過,但當它們靠近時,它們確實會產生引力作用。這種引力作用使它們走上了一條不同於它們原來運行的軌道。
就像把一塊石頭扔進平靜的池塘然後在水中產生漣漪一樣,這樣一個星系撞擊銀河系,也會在整個圓盤上產生漣漪效應,銀河系的波紋綿延數万光年。
銀河系的波紋
不過,這起肇事逃逸事件還不足以殺死銀河系,它只會造成“皮肉傷”。但如果這個矮星係不是單獨行動呢?如果它有同夥呢?
事實證明這些矮星係與像銀河系這樣的大星系之間的碰撞是很常見的。這種事經常發生,現在,有幾個矮星係正在被銀河系吞噬。
事實上,我們離其中一個星系的核心很近,比我們到銀河系核心的距離還要近。所以,當你在夜空中看到的一些星星,很有可能是來自不同星系的星星。
那麼,當所有這些矮星系聚集在一起,並開始拉拽一個更大的星係時會發生什麼呢?
宇宙學家認為,銀河系周圍可能有數百個矮星系。與其中一個矮星系的碰撞可能會使銀河系的旋臂產生漣漪,但一群矮星系的碰撞可能會產生更大、更致命的影響。
矮星係與像銀河系這樣的大星系相互作用的方式,可以使我們的宇宙發生巨大的變化,當它們撞擊星係時,它們可以改變星系的結構。如果沒有這些矮星系,銀河係就不會是今天的樣子。
矮星系之間反复的碰撞,可能從根本上改變了銀河系本身的形狀。它們的引力破壞可能在我們的星系中央創造了一個獨特的、甚至是致命的特徵——銀河系的中心被拉長了。
它的形狀不像一個球體,更像一根棒子,棒子是由恆星以一種細長的繞軌道運行方式而形成的。這條棒可能對星系的健康有害,因為它們的作用是讓氣體以漏斗的方式進入星系的核心,這種氣體的流失可能是阻止恆星形成的一種方式。
銀河系中心的棒狀凸起會將我們星系的造星氣體掃進星系內核。當沒有了造星氣體,就不會有新的恆星形成,星係就會消亡。
銀河系俯視圖,從圖中可見,中心是一個長長的棒狀
【真正的“兇手”仍然逍遙法外】
那麼破案了嗎?
銀河系中心的棒狀凸起的確關閉了星系核心的恆星形成,但那隻是星系的中心區域,這並不能解釋旋臂中更遠的部分。
所以,如果整個銀河系的恆星形成真的停止了,那也不是這根“棒”的錯。矮星系洗清了企圖謀殺銀河系的罪名,調查仍在繼續……
銀河係正在被消滅,行凶者仍然逍遙法外,調查此案的科學家們已經沒有“嫌疑人”了,但是尋找線索的工作仍在繼續。
天文學家們對這顆垂死的銀河系星體進行了體檢。我們的星係是一個由恆星組成的模糊盤,周圍環繞著熾熱氣體的光暈,它的直徑超過10萬光年。
但它並不總是這麼大。我們總是習慣性地認為,像星系這樣巨大而古老的物體,非常穩定的物體,他們不會隨著時間的推移而改變。
但現在科學家們知道,我們自己的星係是許多較小星系聚集在一起的“產品”,隨著時間的推移,我們還會和其他星系一起碰撞。
科學家們經常看到星系在互相吞噬,它們會相撞,如果一個星系很大,另一個星系很小,那麼小星係就會落入大星系,並被撕裂,最後成為大星系的一部分。
斯隆數字巡天望遠鏡不僅能繪製出銀河系中的恆星,還能繪製出宇宙中的星系。看遙遠的星係就像回顧時間一樣,因為它們離地球越遠它們發出的光到達地球所需的時間就越長。
我們看到的最遙遠的星係不是現在的樣子,而是過去的樣子數十億年前的樣子。所以,當你觀察那些星係時,你看到的是它們非常年輕時的樣子。
觀察不同距離的星系,就是觀察不同時期星系的樣子。所以可以看到它們的演變,看到星係是如何隨著宇宙的老化而變化的。
在研究這些數據時,科學家們有了一個驚人的發現:他們發現螺旋星系,就像銀河系一樣的星系,正在宇宙中消亡。
它們的相似之處是它們的質量,螺旋星系的大小似乎有一個重量上限。
在達到太陽質量的大約1萬億倍之前,科學家們看到螺旋星系在繼續形成恆星,但一旦它們超過這個門檻,星係就會死亡,耗盡恆星。
在吞噬較小星系的造星氣體時,銀河係可能已經變得過於肥胖。現在它可能會在自己的晚餐中窒息而死。
但怎麼會這樣?
一旦一個螺旋星系足夠大,它就會有難以置信的引力,所以它吸引的任何氣體都會以難以置信的速度吸進來。這些氣體會被加熱,這種熾熱的氣體會移動得非常快,以至於它沒有落入銀河系的銀心。由於這些氣體能量太大,我們星系的引力無法將其吸進去,相反,它會停留在銀河系周圍的光暈中。
這樣,我們銀河系的食物供應被阻斷了,最終,我們的星係將會餓死。這只有在銀河系超過造星重量限制時才會發生。
但是一個星系的體重是多少呢?科學家們衡量一個星系的一種基本方法是測量恆星在其中移動的速度。
所以恆星繞星系中心運行的速度越快,星系的質量就越大。這種衡量星系的方法依賴於引力快速移動的恆星需要更大的引力來使它們保持在軌道上,而更大的引力意味著更大的星系質量。
當科學家們利用這些信息進行數學計算時,可怕的真相大白了:銀河系已經通過了一個臨界點。銀河系的質量對於它自身的健康來說太大了,而我們已經進入了末日的開始。
至此,關於銀河系毀滅的調查結束了,調查結果就是:沒有殺手,貪婪的銀河係正在扼殺自己。
【重獲新生的可能】
我們似乎在講一個非常悲傷的故事,但也許現在寫死亡公告還為時過早。因為希望就在眼前,在太空和天體物理學中,一切皆有可能。
因為,有一個大多數人都知道的事實:在未來的40億年之後,我們巨大的星系鄰居仙女座星係將與我們的銀河係發生碰撞。
到那時,這兩個星系的恆星形成已經完全停止,但一場盛大的會面可能會改變這一切。
作為一個孤立的星系,銀河系已經處於逐漸減少的階段,它不再像以前那樣產生那麼多的新恆星。但是有一種方法可以產生新一輪的恆星形成,那就是通過星系合併事件。
仙女座星系M31
當仙女座離得足夠近時,兩個星系之間的相互引力,會開始把星系的物質拉出去,像太妃糖一樣把它們拉出來,會被拉出這些長而環狀的飄帶。然後星係就會從物理上互相穿過,最終,這兩個星系會縮回一起並合併成一個巨大的星系。
到那時,所有的氣體雲都會閃著變成恆星。當星系合併時,它們會重生。
兩個垂死的螺旋形星係就會變成了一個有生命的橢圓星系。科學家們已經給這個新的星繫起好了名字“銀女星系”。
想像一下,你生活在遙遠的未來,你看到夜空中銀河系和仙女座正在碰撞,看起來將是一個完全不同的地方。不再是一個橫跨夜空的一長條,你會看到有兩個,因為兩個圓盤聚集在一起,這將是一個奇蹟般的景象,是一個與我們今天非常、非常不同的地方。
仙女座星係與銀河系碰撞想像圖
有了氣體雲,就能創造出新的恆星,不僅如此,而且隨著新恆星的誕生,它們會產生能量,這是整個星系的一個連鎖反應。這就意味著我們的天空將在數十億年後再一次點亮,恆星的形成將在整個星系中閃耀。
這的確是件很酷的事情,但一旦結束,就會把新星系送入死亡漩渦。當新恆星在這個新星系中誕生時,它們中的許多都將是又熱又大的藍色恆星。最終,這些年輕、炙熱的恆星將快速消亡。
當它們消亡時,它們將以超新星的形式劇烈爆炸。這些超新星將開始將氣體噴發出星系,所有的氣體都將再次消失。沒有更多的物質可以形成恆星,這就是星系滅亡的原因。
當然“銀女星系”要花上億年才能耗盡造星氣體,然後我們的新橢圓星係就會餓死,但最後的打擊還在後面。
另一個需要考慮的問題是兩個星系核心的兩個超大質量黑洞會發生什麼事件。
一開始,它們會繞著彼此旋轉,並激起很多湍流,然後它們會合併,我們的新星係將會成為類星體。這顆類星體會增加熱量,增加湍流,這意味著恆星的形成會再次中斷。
在這些超大質量黑洞的綜合力量的幫助下會創造了一個撕裂整個星系的類星體。它釋放出猛烈的輻射束會穿透銀女星系中的形成恆星的氣體,剛剛重生的星系,剛剛擴大的星系卻再次進入死亡倒計時。
像銀女星系這樣的巨大星系,似乎從一開始就注定要滅亡,它們的大小給恆星的形成帶來了太多的問題。
這就是我們的星系最後的命運嗎?
【還有新的可能】
然而,最近的發現,似乎又給我們帶來了新的希望。
還是斯隆數字巡天,這個望遠鏡花了10年時間研究了超過100萬個星系,它發現了一種罕見但巨大的星系——一個超級螺旋星系。
這些超級螺旋星系難以置信的大,它們有4倍於銀河系的尺寸,並且有10倍的質量。它們已經超過了螺旋星系的假定重量極限。
所以它們不應該有新的恆星,然而並不,它們盡然是非常健康的星系。
但科學家們只發現了53個超級螺旋星系。超級螺旋星系表明,在極少數情況下大質量星系會繼續產生新的恆星。所以,這會是銀女星系的生命線嗎?
當科學家們想到兩個星系相撞時,很多計算機模擬都表明它們會把對方搞得一團糟,事情變得非常混亂。
但隨著時間的推移,它們會回到螺旋形嗎?事實上,這可能就是超級螺旋的情況。
其中一個線索是,許多超級螺旋星係有兩個核心,即它們不是只有一個超大質量黑洞,而有兩個黑洞在相互繞行
因此,也許銀河係也有希望在與仙女座碰撞後變成螺旋狀星系。
這是蛻變為超級螺旋星系的“銀女座星系”想像圖
如果將來的銀女星係是以這種形狀存在,就意味著星系更加穩定,銀女星系的超大質量黑洞所產生的破壞性熱量和亂流無法擾亂螺旋臂裡的造星氣體。
我們的銀河系非但沒有消亡,反而繼續存在,比以往任何時候都大。但這並不是故事的結局,從現在起,數百億年之後銀河系會繼續增長,我們的本星系群的銀河系、仙女座、三角座然後是一系列矮星係都會被引力捆綁在一起,最終,我們都被粘在一起成為一個巨大的物體。
這意味著我們可能是宇宙中最大結構之一的一部分。在它十億年的生命歷程中銀河係將變得面目全非,經歷了無數次的碰撞,吞噬了許多較小的星系,並產生了無數的恆星。
宇宙中的一切都在變化,像我們這樣的星系一直處於不斷變化的狀態。所以說到銀河系,死亡真的不是終結,科學家們在宇宙中看到的是總是有一個誕生和重生的過程,所以銀河系的未來將繼續做它所做的事情。
星係是不斷變化的,100億年前,銀河系一點也不像今天,當然,100億年後它將是一個完全不同的地方。無論如何,它會持續很長很長的時間。
來源:快科技