在一個晴朗的夜晚，遠離城市燈光，走到戶外，仰望天空。你會看到銀河系的光帶引人注目地劃過頭頂。自從伽利略·伽利萊首次將望遠鏡對準這壯麗的景象，並注意到“銀河”實際上是無數顆肉眼無法分辨的恆星以來，已經過去了四個世紀。天文學家又花了三個世紀才說服自己，銀河系只是宇宙中數十億個星系之一。
事實上，銀河系本身並非僅僅是一個星系：最近的研究表明，隨著時間的推移，它吸引併吞噬了許多較小的星系，並將它們的恆星融入自身。已知至少有 20 個矮星系（大小從銀河系的百萬分之一到百分之一不等）現在圍繞它執行，可能還有數十個尚未被發現。而目前的衛星星系被認為只是曾經存在過的衛星星系的一小部分，其餘的早已被引力吸入我們的星系並被吸收。這種吞噬始於銀河系比現在更年輕、更小時，並且一直持續到今天——仍然存在的衛星星系最終可能會被吞噬。
在它們消亡很久之後，這些銀河系引力食慾的受害者以星流的形式留下了痕跡，這些星流在天空中延伸。在過去的 15 年裡，一個相對較新的領域，即所謂的星系考古學，揭示了許多這樣的星流。透過研究我們星系過去的這些化石，星系考古學家正在拼湊銀河系歷史中的事件，並獲得有關其他所謂旋渦星系如何產生和演化的線索。
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理想情況下，人們應該從外部和內部研究星系。我們無法對我們自己的星系做到這一點。但是，透過利用我們從銀河系內部獲得的近距離視角，我們可以獲得透過從外部檢查其他星系無法獲得的詳細資訊。
這個領域已經幫助證實了銀河系和其他年輕星系變大的一個過程。來自早已消失的衛星星系的多個星流的發現支援了廣為接受的理論，即我們的星系最初很小，部分是透過大量增加質量而膨脹的——這個過程稱為分層結構形成。儘管這種情況的許多細節仍然神秘，但我們正在緩慢但肯定地撰寫銀河系的傳記。
如何構建星系
星系形成的分層理論認為，類似於銀河系的大型星系增長的主要驅動力不是重子物質——我們可以看到的恆星、氣體和塵埃，它們由構成你我的相同粒子組成。相反，動力是巨大的“暈”，或球體，其中嵌入了星系的看不見的暗物質。人們認為小的暗物質暈首先形成，然後逐漸凝聚成更大的暈，從而驅動更大的星系吞噬較小的星系。
今天，每個星系的暗物質暈都比正常的可見物質質量大得多，範圍也更廣。奇怪的是，儘管天文學家尚未發現暗物質的本質（我們只能透過它對其他一切的引力來感知它），但我們對這種暗物質如何聚集的景象有一定的信心，因為觀測到的星系聚類和相互作用率與假設暗物質聚集的模型預測相符。星系形成的奧秘實際上不在於暗物質，而在於由我們可以在地球上研究的已知方式相互作用的粒子組成的普通重子物質。
關於重子物質如何促進星系演化的基本觀點始於暗物質暈。這個天體透過引力將普通物質（以氣體的形式）拉向自身。當氣體到達暈的中心時，在適當的情況下，它可以形成恆星。當其中一些恆星到達生命盡頭時，它們會爆炸，將其原子返回到星系內部和（可能）外部的氣體中，並經常觸發另一代恆星從任何剩餘的氣體和塵埃中形成。透過這種方式，銀河系的中心核（“核球”）和它的旋臂（“星盤”）最有可能形成。
但是銀河系還包括一個巨大的球體（也稱為暈），其中包含環繞核球和星盤的更彌散的恆星。這些恆星中的許多可能來自早已被摧毀的矮星系的闖入者。根據星系形成的分層形成理論，恆星以一系列事件加入到暈中，這些事件大致如下：當矮星系圍繞銀河系執行時，它感受到大星系的引力，隨著衛星星系靠近大星系，引力會變得更強。位於衛星星系靠近銀河系一側的物質（恆星、氣體、塵埃和暗物質）所受到的引力比遠側的物質稍大。
結果，矮星系沿著它與大星系之間的連線被拉伸。這種拉伸源於所謂的潮汐力——與導致月球在地球海洋中引起潮汐的物理原理相同。與月球-地球相互作用不同，銀河系對其衛星星系的潮汐力可能足夠強大，實際上可以移除物質——在這種情況下，恆星會從矮星系的主體中被拉出來。一旦被移除，恆星就會留在銀河系引力的控制之下，並沿著稍微偏離衛星星系自身軌道的路徑繼續前進。隨著時間的推移，輕微的偏移會導致碎片穩定地擴散，變得更加彌散，並遠離衛星星系，形成星流。
這個理論圖景很有道理，但長期以來，科學家們缺乏觀測證據。現在他們有了。許多星流的發現表明，銀河系在數十億年前的早期就開始吞噬其鄰居，並且今天仍在吞噬矮星系。儘管我們主要在我們自己的星系周圍看到了來自矮星系伴星的星流的證據，但這種星流可能發生在所有類似的旋渦星系周圍，儘管那些遙遠的星流通常太微弱而無法從遠處探測到。
然而，分層形成過程的許多細節仍然難以捉摸，例如銀河系何時吸收了大部分衛星星系，它多久吞噬一次矮星系，以及將它們的恆星納入其中需要多長時間。為了回答這些問題，天文學家必須找到更多適合徹底研究的星流，以及已解體的星流的殘餘物。
挖掘星系化石
天文學家以多種方式在銀河系中尋找星流。首先也是最直接的方式是，我們可以尋找位於相同距離的恆星群，這些恆星群以長絲狀聚集在一起。為此，我們需要一張我們星系恆星的良好三維地圖，該地圖顯示了所有方向儘可能多的恆星的距離和位置。
在過去的 15 年裡，星系考古學家透過斯隆數字巡天 (SDSS) 的資料獲得了他們想要的地圖。該巡天使用位於新墨西哥州阿帕奇點天文臺的專用望遠鏡，建立了一個包含銀河系內超過 8000 萬顆恆星的資料庫，以及有關它們的距離、顏色和其他特徵的資訊，分佈在四分之一的天空中。該目錄中數量龐大的恆星為尋找銀河系過去的化石提供了一個完美的挖掘地點。
最初在其他星系中誕生，隨後被納入我們自己星系的恆星比例被認為很小，大約佔銀河系數千億顆恆星的 1% 或更少。但是斯隆的地圖為天文學家提供了可能接近一百萬顆外來恆星，用於檢查早已死亡的星系的證據。星系考古學家在這張地圖中尋找可能位於正確距離以位於星系暈中的恆星。在這些恆星中，他們透過在比周圍環境更密集且呈尾狀的區域中定位星流。天文學家部分從我與加州大學歐文分校的宇宙學家詹姆斯·布洛克合作建立並於 2005 年發表的計算機模擬中得知了尾巴的樣子。我們利用我們對暗物質暈如何分層形成的理解，結合潮汐力的物理學，預測了隨著許多矮星系在銀河系形成過程中被吞噬而產生的星流的大小和擴散範圍。
第一個令人信服的擴充套件星流證據出現在 2003 年，當時由弗吉尼亞大學的史蒂夫·馬耶夫斯基領導的天文學家在來自兩微米全天巡天（類似於斯隆的專案，在紅外光下進行）的資料中，發現了從銀河系已知的最近衛星星系人馬座矮星系發出的巨大尾巴。這些星流位於靠近人馬座星系預計軌道的附近，並且包含幾乎與人馬座星系本身一樣多的恆星。這些尾巴非常長，以至於完全環繞著我們自己的星系。我們抓住了銀河系正在攻擊其最近（但顯然不是最親愛的）鄰居的現行。
自那次發現以來，星系考古學家已經在斯隆目錄中發掘了我們星系周圍大約十幾個更多的星流。從人馬座星系的尾巴長度來看，我們可以說它已經丟失恆星二三十億年了。我們看到的其他星流看起來也有幾十億年的歷史。這些發現表明，銀河系在其早期歷史上更頻繁地消化星系，並且隨著可供吞噬的矮星系數量減少，最近已經放緩了速度。到目前為止，這些發現與分層形成理論的預測一致。然而，已知的星流可能只是現有星流的一小部分。應該還有更多的星流存在，只是現在太微弱而看不見，但蘊藏著對星系過去的進一步見解。
新的挖掘工具
依靠恆星位置來尋找星流會錯過許多較舊的軌跡，因為在數十億年的過程中，恆星之間軌道特性的微小差異會導致星流拉長、擴散和褪色，以至於它們失去了任何明顯的結構。天文學家現在正在研究利用其他恆星屬性來尋找更分散的星流，以及完全解體的星流的殘餘物的方法。這些恆星集合將幫助科學家探索星系形成最活躍的時期，該時期發生在 100 多億年前，即大爆炸後的最初幾十億年內，當時宇宙中大部分恆星都形成了。那時不僅有少數幾個，而是數百個小星系和星團被吸積形成銀河系。
一種尋找現在已解體星系遺蹟的方法是尋找具有共同軌道的恆星。在星流中的恆星變得過於分散而無法從它們的位置識別出來很久之後，我們可以利用它們的運動來識別曾經是同一衛星星系一部分的恆星，並瞭解它們是如何加入銀河系的。這個目標是歐洲航天局的蓋亞衛星正在追求的眾多目標之一，該衛星於 2013 年 12 月發射。蓋亞將在未來四年內建立一個改變星系考古學家遊戲規則的資料集，透過測量超過十億顆恆星的距離、位置和運動。對於我們的問題來說，這個收穫令人興奮，因為編目的恆星數量龐大，而且為每顆恆星測量的多維度資訊將使我們能夠計算它們的完整軌道。因此，我們可以挑選出具有相似軌道特性的恆星，這些恆星很可能來自同一個原始星系，即使它們在天空中的位置不再向我們顯示它們是相關的。
此外，從某種意義上說，恆星永遠不會忘記它們的出生地：它們的化學成分。這種化學成分提供了另一種發現星流的潛在方法。恆星透過其核心中的核聚變不斷改變其整體成分，核聚變將輕元素合成為重元素。然而，核聚變只能發生在恆星最密集和最熱的中心區域，並且人們認為恆星的大氣層（天文學家測量的是大氣層）與其誕生的氣體相同。澳大利亞國立大學的天文學家肯尼斯·弗里曼和悉尼大學的喬斯·布蘭德-霍桑的目標是利用這種完美的記憶，不是為了尋找星流，而是為了將具有相同化學指紋的恆星分組到孕育它們的星團中，而不管它們現在位於天空中的哪個位置。
弗里曼和布蘭德-霍桑的簡單方法，即使用單一的化學標籤，將無法用於識別與矮星系相關的恆星，因為這些星系本身可能包含在許多不同星團中誕生的恆星，這些星團具有一系列化學成分。然而，宇宙歷史和恆星形成的本質共同作用，因此，類似的化學方法可能會為我們提供一些關於銀河系吸積歷史的資訊。
首先，在給定的星系內，後期形成的恆星通常比早期形成的恆星含有更多的重元素，因為構成它們的物質已經富含了前幾代恆星的遺骸。其次，富集的確切過程受到氣體流的影響，氣體流部分受星系暗物質暈的引力影響控制。這兩個效應表明，質量大致相同且在大致相同時間吸積和摧毀的星系應該貢獻具有相同化學成分分佈的恆星——這意味著許多不同元素的丰度範圍相同。相反，星系質量或吸積時間的差異將導致其貢獻的恆星的化學分佈存在差異。因此，圍繞我們銀河系的恆星的化學成分的總體分佈可能使我們能夠辨別出有多少比例的恆星來自相似質量的星系在相似的時間，即使不是完全相同的星系。
杜安·李在哥倫比亞大學我的小組做研究生時，研究了這一想法。他的初步工作表明，化學標籤可能足夠靈敏，可以恢復來自甚至在星系歷史早期就被摧毀的最小矮星系的貢獻。通過了解銀河系恆星的哪些比例是在不同時期到達的，我們可以開始勾勒出吞噬序列，並追溯我們星系的吸積歷史，追溯到最早的時期。現在有兩組人正在測量數百萬顆恆星的化學成分，他們的資料可以用來解決這個問題。其中一個是由弗里曼和布蘭德-霍桑領導的銀河系考古學與 HERMES (GALAH) 巡天，該巡天目前正在進行試點巡天。另一個被稱為 APO 星系演化實驗 (APOGEE)；它於 2011 年作為正在進行的斯隆巡天的一部分開始。
星系考古學家才剛剛開始意識到，研究銀河系就像研究 1000 個星系一樣，因為那麼多較小的天體結合起來構建了更大的天體。來自那些被納入星系的化石不僅告訴我們銀河系的歷史，還告訴我們它包含的所有較小星系的歷史。我們很快就能夠研究許多不同大小的星系是如何在許多不同的時間形成的，所有這些都在我們自己的本地實驗室中進行。未來十年內的此類分析可能會像過去十年中環繞銀河系的星流的驚人發現一樣，為我們對星系形成的理解做出貢獻。
最終，我們希望知道宇宙中最早的星系是如何形成的。類似於我們自己的星系的最早的祖先太小太遙遠，無法直接探測到。然而，星系考古學可以揭示這些最早種子的殘餘物——仍然帶有其起源印記的長壽命恆星散佈在銀河系中。因此，在非常真實的意義上，挖掘我們自己的後院可以為我們開啟一扇通往早期宇宙和星系形成的最初步驟的視窗，這是任何其他方式都無法企及的。