去年四月，艾米娜·赫爾米在開車去荷蘭北部工作的路上感到一陣雞皮疙瘩。這與天氣無關——純粹是期待。就在幾天前，歐洲航天局 (ESA) 的蓋亞任務釋出了大量資料，該任務已經繪製銀河系地圖五年了。格羅寧根大學的天文學家和她的團隊正在爭分奪秒地梳理資料，以尋找關於銀河系的見解，趕在其他人之前。
赫爾米和她的同事們快馬加鞭地工作，興奮得睡不著覺，他們感覺到自己發現了一些東西。該團隊發現了一組 30,000 顆離經叛道的恆星。與銀河系主體中的其他天體不同，後者在一個相對扁平的盤狀結構中執行，這些不合常規的天體正在逆向運動，它們的軌道將它們帶出銀河平面。
在幾周內，該團隊研究出，這群發光的天體指向了銀河系歷史上一個長期隱藏且特別動盪的篇章：年輕的銀河系與一個巨大的伴星系之間的碰撞。那個巨獸曾經像行星繞恆星一樣繞著銀河系執行，但在大約 80 億到 110 億年前，兩者相撞，極大地改變了銀河盤，並將恆星散射到四面八方。這是銀河系在呈現出今天所見的熟悉螺旋形狀之前經歷的最後一次已知的大碰撞。
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儘管那次古老碰撞的訊號已經隱藏在眾目睽睽之下數十億年，但直到透過蓋亞資料集，天文學家才最終能夠探測到它。“能夠發現銀河系歷史上如此重要的里程碑，真是令人難以置信，”赫爾米說。
多虧了蓋亞，如此具有紀念意義的發現幾乎變得司空見慣。該任務旨在編目超過十億顆本地恆星，繪製它們的光度、溫度、年齡、位置和速度。正是最後兩個屬性對於天文學家來說尤其具有啟發意義：在蓋亞之前，科學家們缺乏對許多恆星距離的高精度測量，以及所謂的自行，即恆星在天空中的運動。利用這些關鍵資訊，研究人員可以——正如赫爾米和她的同事所做的那樣——尋找以協調軌跡一起運動的天體群，這些軌跡指向共同的歷史。恆星速度還可以幫助天文學家追蹤暗物質的影響——暗物質是不可見的且仍然神秘的物質，它構成了銀河系的大部分質量，並用其引力彎曲恆星的路徑。
自蓋亞於 2018 年 4 月釋出資料以來，已發表了數百篇論文。它們描繪了一幅比之前想象的更加動態和複雜的銀河系圖景。銀河系充滿了驚喜，包括暗示可能最終讓科學家更好地掌握這種神秘物質特性的暗物質團塊。英國劍橋大學的天文學家瓦西里·貝洛庫羅夫說，早期、容易發現的發現已經具有變革性，然而它們僅僅是未來景象的驚鴻一瞥：“我們看待銀河系的方式顯然已經改變了。”
動盪的過去
太陽系位於銀河系的邊緣，距銀河系中心約 8,000 秒差距（26,000 光年），在一個被稱為獵戶座的次要旋臂上。正是在這個位置，觀察著橫跨夜空的巨大星帶，天文學家必須繪製出銀河系的結構。到 20 世紀中葉，他們已經描繪出了一幅粗略的圖景，確定銀河系的恆星分佈在一箇中央凸起中，被蜿蜒的恆星臂包裹，並被一個稀薄的球形暈環繞。在 1970 年代和 1980 年代，研究人員推斷出這種結構是如何在數十億年的時間裡建立起來的，最初是一個巨大的暗物質、氣體和塵埃雲。可見成分坍縮成一個盤狀結構，然後透過吞噬較小的衛星星系而膨脹起來。天文學家後來透過使用地面望遠鏡反覆拍攝整個夜空來補充細節。這些巡天調查使科學家能夠更仔細地觀察大型銀河天體，例如恆星暈，他們在那裡發現了被拉伸成星光熠熠的碎片流的小星系的殘餘物。
但是，地面巡天調查只能為天文學家提供關於銀河系結構的大量資訊，主要是因為地球湍流大氣層的模糊限制了恆星距離的確定精度。雖然可以透過顏色變化來測量恆星朝向或遠離地球的運動速度，但理清它們的自行——以及它們的完整 3D 速度——很困難，因為大多數天體在人類時間尺度上的天空運動如此之小。這個問題掩蓋了許多恆星之間的關係——這些聯絡可能會透過它們運動的相似性來揭示。
大約耗資 7.4 億歐元（8.44 億美元）的蓋亞任務於 2000 年獲得批准，並在 13 年後發射，旨在填補這些空白。該探測器繞太陽的軌道略微超出地球軌道，從軌道上的不同位置拍攝相同的恆星。這使得天文學家能夠透過稱為恆星視差的量來測量距離——即天體在天空中的視位置的無限小的偏移，它伴隨著視角的改變。歐空局的依巴谷衛星在 1989 年至 1993 年間執行，收集了類似的視差資料。但蓋亞的精度最終將提高 100 倍。由於其靈敏度，它可以更深入地探測銀河系：它觀測到的超過十億顆恆星中，約 99% 的恆星從未被精確測定過距離。
在一項計算密集型的工作中，蓋亞研究人員繪製瞭望遠鏡看到的每顆恆星相對於其他每顆恆星的位置圖。這使得該團隊能夠測量恆星在天空中移動的速度——它們的自行。然後，透過測量恆星顏色的小變化，天文學家可以指示天體沿其視線朝向或遠離衛星的移動速度。這兩個測量值加上從蓋亞計算出的距離，提供了恆星的完整 3D 運動。蓋亞可以測量它看到的最亮恆星的視線運動，但地面望遠鏡將有助於測量剩餘的恆星。瞭解每顆恆星的位置和去向，研究人員可以快速梳理出隱藏的銀河系歷史。
赫爾米和她的同事們研究的古老碰撞就是這種情況（參見“早期銀河系形成階段的合併”）。在他們的工作中，他們發現的那組恆星具有共同起源的證據得到了新墨西哥州地面斯隆數字巡天 (SDSS) 資料的支援，該資料表明，該星團的所有成員都具有相似的化學成分。該團隊選擇了蓋亞-恩克拉多斯作為被認為是恆星家園的矮星系的名字。恩克拉多斯是希臘神話中從蓋亞後裔中誕生的巨人。
碰巧的是，貝洛庫羅夫和他的同事們也使用蓋亞 2016 年初步資料釋出的資訊發現了碰撞的證據。這些資料不包括自行讀數，但透過將該資料集中的恆星位置與大約十年前拍攝的 SDSS 觀測結果進行比較，該團隊可以看到恆星在過去一段時間內的運動情況。他們注意到一群天體在偏心軌道上一起移動，這些軌道最終應該將它們從銀河系中心帶到外圍。這些天體似乎起源於一次重大的碰撞，它們的共同歷史因金屬含量的相似性而顯而易見。由於繪製的速度形成香腸狀，該團隊將曾經是恆星家園的古老矮星系稱為蓋亞香腸。
雙重新命名在社群中引起了一些混亂。但無論罪魁禍首叫什麼，古老的合併都可能是解開銀河系一個持久謎團的線索。銀河系的盤有兩個組成部分——一個包含氣體、塵埃和年輕恆星的薄內盤像奧利奧餅乾的餡料一樣位於內部，而在厚外盤中幾乎完全由較老的恆星組成。天文學家一直在爭論是厚盤先出現，然後氣體和塵埃凝結形成更薄的核，還是結構始於薄盤，然後部分膨脹。由於蓋亞-恩克拉多斯-香腸在碰撞期間是銀河系大小的重要組成部分，因此它會將大量能量沉積到銀河盤中，加熱並膨脹它。赫爾米的團隊認為這是支援膨脹情景的標誌，也是銀河系發生劇烈變形的證據。
知識爆炸
使用蓋亞資料進行如此先前難以獲得的見解的速度讓研究人員感到震驚。紐約市哥倫比亞大學的天文學家凱瑟琳·約翰斯頓回憶起 4 月資料釋出後的第二天發表的一篇論文引起的轟動，該論文展示了太陽附近約六百萬顆恆星的運動都以一種類似於蝸牛殼的奇特螺旋模式排列。
約翰斯頓說，這種模式似乎是一個指紋，由一個名為人馬座的小衛星星系蓋章。每當人馬座靠近時，它都會引力擾動銀河恆星，這應該會在盤中產生擺動和漣漪。研究人員之前曾推測過這種印記，但蓋亞資料中的訊號似乎是人馬座影響的第一個清晰而引人注目的訊號。“對我來說，那是一個令人震驚的時刻，”約翰斯頓說。“螺旋線太乾淨了。它看起來像一個理想化模擬的理論預測，而不是真實的資料圖。”
多虧了蓋亞的眼睛，這些擾動不僅突顯出來，而且還在講述一個關於銀河系過去的不同故事。此前，大多數天文學家都認為，雖然銀河系的外暈經歷了與較小衛星星系的混亂碰撞歷史，但主體卻過著相當平靜的生活。螺旋臂和被認為橫跨中央凸起的恆星棒等特徵通常被視為銀河系內部動力學的產物。但似乎由人馬座引起的擺動表明，外部力量對銀河系的形狀的影響比以前認識到的更大。
新澤西州普林斯頓大學的天體物理學家阿德里安·普萊斯-惠蘭說，蓋亞正在迫使研究人員重新審視一些用於簡化模型的經典假設。“我們知道這些假設是錯誤的，”他補充道。“蓋亞現在向我們展示了它們錯得有多離譜。”
繪製黑暗面
繪製銀河系發光天體的地圖也可能有助於揭示暗物質，暗物質可能佔銀河系質量的 90%。理論家懷疑我們的銀河系位於一個巨大的、大致呈球形的暗物質暈中，就像普通物質一樣，由於引力而聚整合較小的結構。宇宙學模擬表明，數千個大型暗物質團塊繞銀河系執行，偶爾會被中心的大量暗物質吞噬，這個過程類似於銀河系吞噬其小型可見衛星星系。
大多數暗物質亞結構被認為幾乎不包含或不包含恆星，這使得它們難以探測。但蓋亞可能在 GD-1 中找到了其中一個的線索，GD-1 是 2006 年發現的一條長長的恆星流，橫跨半個北天。這條恆星流對於審查並不陌生，但蓋亞使普萊斯-惠蘭和馬薩諸塞州劍橋市哈佛-史密森天體物理中心的的天文學家安娜·博納卡能夠更自信地挑選出該星群的真正成員。去年 11 月，他們和其他兩位同事確定了結構特徵，包括一個明顯的間隙，這可能是大約 5 億年前與一個大型天體相遇的疤痕。當假定的擾動者快速掠過星流時，它可能會透過引力拉扯一些恆星來分離恆星鏈，使它們能夠拉到它們的同伴前面。
博納卡說，最有可能的罪魁禍首似乎是一個緻密的暗物質團塊，可能介於太陽質量的百萬倍到一億倍之間。這種估計可能對暗物質的物理模型產生影響。暗物質粒子的質量有助於決定其移動速度，進而決定其可能形成的星團的大小。博納卡說，GD-1 擾動者的大小在一個有趣的範圍內，這可能會排除質量相對較低的假設暗物質候選者。
博納卡和她的團隊現在有興趣使用蓋亞資料來確定星流中受擾動恆星的速度，這可能指向假定的暗物質團塊的軌道。如果他們能夠確定今天可能在何處找到它，他們或許能夠探測到它對其他物質的引力效應。或者，他們可以將 γ 射線望遠鏡對準該點，以尋找暗物質粒子相互湮滅或衰變的證據，這些過程可能會發射出高能光子。這兩種技術都可能為探測這種不可見物質的物理性質提供更直接的手段。
然而，普萊斯-惠蘭說，很難從一個單一的例子中推斷出太多東西。他希望使用蓋亞目錄和未來的天文臺（例如，預計於 2020 年代初期開始收集資料的智利地面大型綜合巡天望遠鏡）進行的系統研究將揭示更暗淡的恆星和其他恆星流。如果其中一些星流也顯示出與暗物質團塊相遇的影響，它們可能會讓天文學家更好地瞭解此類星團的丰度和大小，這將有助於確定暗物質的性質。
天文學家希望蓋亞關於恆星運動的資料也將幫助他們繪製出銀河系黑暗面的大致形狀。根據構成暗物質的粒子型別，銀河系的暗物質暈可能具有不同的球形度或對稱性。貝洛庫羅夫預計，來自蓋亞關於本地恆星軌道的資訊將足以在未來兩到四年內追蹤出暗物質暈的整體質量和形狀。
這些發現不會侷限於銀河系。關於銀河系歷史和暗物質分佈得出的結論將反饋到用於探索宇宙大型結構如何生長和變化的宇宙學模型中。蓋亞已經獲得了首次任務延期至 2020 年底，荷蘭萊頓大學的天文學家安東尼·布朗是該任務資料處理和分析聯盟的主席，他認為該衛星可以繼續收集資料到 2024 年，總共執行十年任務。他說，這次延期應該使蓋亞目前跟蹤的恆星的自行測量精度提高三倍。並且它可以提供關於更遙遠恆星的資訊。
蓋亞的最終遺產尚未書寫，但所有跡象表明它將是巨大的。來自 SDSS 等全天巡天調查的資料在完成十多年後繼續為宇宙提供富有成果的發現。赫爾米期待著隨著蓋亞目錄變得更大更詳細，進一步回溯銀河系的歷史。“我發現最令人興奮的事情之一，”她說，“是我們才剛剛開始真正深入挖掘過去。”
本文經許可轉載，並於 2019 年 1 月 16 日首次發表。