和她的团队当时正争分夺秒地解读这些数据以期先人一步解开银河系的秘密。

起源:自然自然科学研究

盖亚探测器的最新数据从根本上改变了我们对银河系演化的认识。

去年4月的一天，Amina Helmi在荷兰北部上班的路上起了一身鸡皮疙瘩，不是因为天气冷，而是因为一次简单的等待。日前，欧洲航天局(ESA)& ldquo；盖亚& rdquo(盖亚)该任务将发布过去五年制作的所有银河系超详细地图。作为格罗宁根大学的地理学家，Amina Helmi和她的团队正在争分夺秒地解读这些数据，希望我们的祖先能够解开银河系的秘密。

来源:欧空局/盖亚/DPAC

加班赶进度，兴奋得睡不着觉，Helmi和我的搭档都预感到要出大事了。该小组发现总共有30，000 & ldquo；打败& rdquo星星。与银河系主体中的其他天体不同，这些不规则恒星反其道而行之，沿着引导它们脱离银道面的轨迹运行。

该团队花了几周时间才发现，这些明亮的恒星表明了银河系前历史中的一种未知无序:年轻的银河系曾经与一个巨大的伴星系相撞。这个巨大的伴星系曾经围绕银河系运行，就像行星围绕恒星运行一样，但大约在80亿至110亿年前，两者发生了碰撞，导致了银盘和恒星分散的巨大变化。这是银河系形成人类已知的旋臂结构之前，迄今为止已知的最后一次大撞击。

几十亿年来，那个古老的凸起留下的信号就在我们眼前，但直到盖亚数据集发布后，地理学家才能探测到它。Helmi对此评论道:& ldquo发现这个前银河历史上的里程碑真是太棒了。& rdquo

多亏了盖亚任务，这样的重大发现层出不穷。盖亚任务的政策是编制超过10亿颗本地恒星的目录，并记录它们的亮度、温度、年龄、方向和速度。

与此同时，恒星的方向和速度对地理学家来说尤其重要:在盖亚任务之前，科学家们总是缺乏关于间隔和& ldquo自助& rdquo高精度测量数据(天空中恒星的运动)。

一旦掌握了这些至关重要的信息，就像Helmi和她的伙伴一样，研究人员可以找到沿着和谐轨迹一起运动的天体，并一起发现它们的起源。知道恒星的速度也有助于追踪暗物质的影响& mdash& mdash神秘的暗物质虽然看不见摸不着，但却是银河系中质量的首要来源，其引力可以弯曲恒星的运行轨迹。

自2018年4月Gaia数据集发布以来，已有数百篇论文陆续发表，它们对银河系的描述比我们最初想象的更加充满活力和凌乱。这个星系充满了惊喜，比如指向暗物质团存在的痕迹，这可能让科学家们对暗物质的本质有更多的了解。英国剑桥大学的地理学家瓦西里·别洛库罗夫(Vasily Belokurov)表明，那些简单发现的最初效果现在已经带来了变化，但这只是地理大发现的预演:& ldquo我们对银河系的了解现在已经完全改变了。& rdquo

动荡的过去

太阳系距离银河系中心约8000秒(约26000光年)，位于银河系边缘的二级旋臂& mdash& mdash猎户座悬臂。从这个高度望去，可以看到整个夜空中闪烁的星星，科学家有必要从这个位置做出整个星系的结构。

到了20世纪中叶，地理学家现在有了一个大致的结构。他们以为银河系的恒星会集中在中央核心球体，被类似蛇形曲折的旋臂包裹，周围是一层薄薄的球形光晕。在20世纪70年代和80年代，研究人员现在已经推断出这种结构是如何在过去的几十亿年中逐渐形成的& mdash& mdash开始只是一团暗物质、气体和尘埃。可以看到，成分首先坍缩成盘状结构，然后在吞噬较小的卫星星系后逐渐向外膨胀。之后，地理学家利用地面望远镜反复拍摄整个夜空，捕捉到更多细节。这种观测活动允许科学家近距离调查恒星晕等大型星系目标，他们在恒星晕中发现进入恒星泥石流的小型星系残余。

但是，从地面观测获得的关于银河系结构的信息是有限的，主要是因为地球的扰动大气会影响星距的测量精度。另外，虽然可以通过颜色的变化来判断恒星靠近或远离地球的速度，但是很难得到恒星本身和完好无损的三维速度信息，因为从人类的时间尺度来看，天空中大多数天体的运动可以说是微乎其微的。因此，恒星之间的关系变得异常而晦涩，寻找不同恒星之间运动的相似性可能是解决这种关系的重要线索。

2000年成立、13年后正式启动的盖亚任务(Gaia mission)耗资约8.44亿美元，恰好填补了这些空白。盖亚探索者绕太阳运行的轨道比地球略大，可以从不同方向捕捉同一颗恒星的信息。这样，地理学家就可以通过& ldquo恒星视差& rdquo要计算恒星之间的间隔，恒星视差是指观测目标的视觉位置随着观测方位的变化而发生的最小变化。“欧洲航天局的”;巴伊谷& rdquoHipparcos卫星在1989年至1993年的运行过程中收集了类似的视差数据，但Gaia的测量精度高100倍，灵敏度更好，足以让人类更深入地看到银河系的真实内容:在Gaia观测的10多亿颗恒星中，约99%的恒星间隔从未被精确测量过。

盖亚的核算任务非常艰巨，项目研究人员对探索者捕获的每颗恒星相对于彼此的方位做了详细的地图。在此基础上，研究小组测量了恒星似乎穿越天空的速度，也就是恒星本身的速度。通过测量恒星颜色的细微变化，地理学家可以大致知道天体沿着卫星视线接近或离开的速度。结合以上两个测量数据和盖亚计算的恒星间距，就可以得到恒星完整的三维运动信息。盖亚可以测量它所观察到的最亮恒星的视线移动，但地面望远镜可以帮助观察其余的恒星。知道了每颗恒星的方位和运动的方向，研究人员就可以很快梳理出银河系的秘密历史。

以Helmi和他的伙伴讨论的老碰撞为例，他们发现一组恒星具有相同的起源，得到了地面望远镜& ldquo斯隆数字巡天& rdquo(SDSS斯隆数字巡天公司)SDSS收集的数据显示，这些恒星的化学成分非常相似。研究小组认为这些恒星都来自一个矮星系，并将这个矮星系命名为& ldquo盖亚土卫二& rdquo(盖亚-恩克拉多斯).在古希腊神话中，伟人恩克拉多斯是盖亚的儿子。

无独有偶，别洛库罗夫和他的合作伙伴也从2016年盖亚公布的第一批数据中找到了这种凸起的依据。当时的数据不包括自身数据，但通过将数据收集到的恒星方位信息与十年前SDSS的观测数据进行对比，研究小组可以知道恒星在这段时间内是如何在中心移动的。他们发现一群天体正沿着一条逆着中心的轨迹一起运动，而这条轨迹会把它们带离银河系中心。

所有这些现象似乎都源于一次大的颠簸。这些恒星显然具有相同的起源，因为它们的金属含量非常相似。研究人员根据星星的速度绘制后，发现了形状相似的香肠，于是从它们曾经的家乡& mdash& mdash这个古老的矮星系被命名为& ldquo盖亚香肠& rdquo(盖亚香肠).

同一个矮星系的两个名字引起了地理学上的混乱。但是不管怎么称呼这个& ldquo第一恶& rdquo这个过时的合并可能是解开银河系之谜的线索。银盘由两部分组成，一部分是包含气体、尘埃和年轻恒星的薄板，就像奥利奥饼干的三明治部分一样；它的外部是由古老恒星组成的厚板。

地质学家一直争论是否先有厚盘，然后气体和尘埃收缩形成薄核；先还有一个薄盘，然后从薄盘的一部分展开。因为这个& ldquo盖亚-土卫二-腊肠& rdquo矮星系碰撞时只比银河系小一点点。大概是给银盘送了很多能量，让它升温膨胀。赫尔米的团队将这一发现视为支持膨胀理论和过去银河系剧烈变形的基础。

常识的爆发

让研究人员深感震撼的是，有了盖亚提供的数据，之前难以突破的地理研究正以前所未有的速度向前推进。哥伦比亚大学地理学家凯瑟琳·约翰斯顿(Kathryn Johnston)还记得，就在盖亚数据集发表的第二天，一篇论文引起了热烈的讨论。该论文指出，围绕太阳的大约600万颗恒星以螺旋运动的方式排列，形状类似于蜗牛壳。

约翰斯顿认为这条轨迹看起来像一个微型卫星星系& ldquo射手座& rdquo留下的指纹。每当人马座快速靠近时，它的引力就会扰动银河系中的恒星，这些恒星就会在银盘中晃动，留下涟漪。研究人员之前估计过这种痕迹，但盖亚数据集提供了第一个清晰而有力的信号来证明人马座的影响。& ldquo对我来说，这是一段难得的时光。约翰斯顿说，ldquo整个螺旋形状非常清晰。它看起来更像是一个理想化的理论猜测，而不是真实的数据图。& rdquo

通过盖亚的& ldquo眼睛& rdquo这个扰动不仅清晰，还讲述了银河系的另一个前史。此前，大多数地理学家估计，虽然银河系的外晕曾无序地与小卫星相撞，但银河系的主体一直很安静。科学家一直认为旋臂和被认为穿过核球的恒星带是银河系内在力量的产物。但是，这些似乎是人马座引起的抖动出现了，外力对银河系结构的影响超出了地理学家以前的知识。

普林斯顿大学的天体物理学家Adrian Price-Whelan认为，Gaia迫使研究人员从一开始就考虑一些用于简化模型的标准化假设。他说:& ldquo我们之前知道一些假设是错误的，现在盖亚让我们知道他们错在哪里。& rdquo

制造银河系的黑暗面

为银河系中明亮的天体制作地图也可能有助于了解暗物质，暗物质可能占银河系质量的90%。理论家怀疑银河系外有一个巨大的近球形暗物质晕，与普通物质一样，这些暗物质在引力作用下被组装成更小的结构。宇宙学模拟表明，银河系周围有无数个大的暗物质团在滚动，有些会被中心的暗物质团吞噬。整个过程类似于银河系吞噬其他可见小卫星的过程。

大多数暗物质亚结构被认为只包含少数恒星或没有恒星，因此极难被探索。但盖亚可能在GD-1中找到了一些线索，这是一条很长的星流，在2006年占据了北方天空的一半。这个星流已经被讨论了很多次，但盖亚让普莱斯-惠兰和哈佛-史密森尼天体物理中心的地理学家安娜·博纳卡更有信心找到星流的真正成员。去年11月，他们和另外两个合作伙伴总结了GD-1的结构特征，他们发现星流中有一个很大的缺口，可能是大约5亿年前与一个大型天体相撞后留下的疤痕。当这个假设的扰动物体加速穿过恒星流时，它对一些恒星的引力可能会导致恒星流的分离，使这些恒星跑在火伴星的前面。

博纳卡认为最有可能的罪魁祸首可能是一个精细的暗物质质量，大约是太阳质量的100万到1亿倍。这个预算可能会对暗物质的物理建模产生重要影响。暗物质粒子的质量有助于判断暗物质粒子的速度，进而可以计算出它所能形成的暗物质团的大小。博纳卡说，这种暗物质质量扰动GD-1的潜在质量范围非常有趣，或者它可能会扫除一些假设的质量更低的暗物质候选者。

博纳卡和她的团队希望通过盖亚的数据来测量恒星流中被扰动恒星的速度，这可能会确定假设的暗物质团的运动轨迹。如果他们能找到这个暗物质团的位置，他们可能会探索它对其他物质的引力效应。或许，经过实地练习& gamma寻找暗物质粒子湮灭或衰变基础的x射线望远镜& mdash& mdash这种过程通常会释放高能光子。不管用哪种方法，都是对暗物质物理特性更直接的探索。

但是普莱斯-惠兰仍然表明，从一个例子中推断出很多信息是不可能的。他期望利用盖亚目录和未来的观测(例如，智利的大口径全景巡天望远镜(LSST)将在2020年后开始收集数据)进行系统的讨论，这将使更多的暗星和其他星流浮出水面。如果存在与其他恒星流中暗物质团碰撞留下的痕迹，地理学家可以更深入地了解暗物质团的丰度和大小，进而帮助确定暗物质的性质。

地理学家期望盖亚关于恒星运动的数据能够帮助他们勾勒出银河系的黑暗面。银河系中暗物质晕的球形度或对称性也各不相同，具体取决于组成暗物质晕的粒子类型。别洛库罗夫认为，在未来2-4年内，盖亚将收集足够多的关于当地恒星轨迹的信息，供科学家确定暗物质晕的总质量和形状。

这类研究成果不仅可以用于探索银河系的前史，而且关于银河系前史和暗物质扩散的研究发现将被填充到宇宙模型中& mdash& mdash用来探索世界结构，做出改变。现在，盖亚任务已被同意延长至2020年底。荷兰莱顿大学的地理学家安东尼·布朗是盖亚任务数据处理和分析联盟的主席。他认为盖亚工作到2024年，也就是总共10年的服役时间，不是问题。他说，扩展后的任务应该可以将盖亚对当时所追求的恒星的自我测量精度提高3倍，甚至可以带来更远的恒星的信息。

盖亚对过去历史的贡献还有待书写，但所有的痕迹都显露出来，这将是一个巨大的贡献。SDSS收集的全空间探测数据等。，甚至在任务结束10多年后，仍在不断取得新的发现。随着Gaia星表的不断扩充和完善，Helmi正等待着进一步揭开银河系的前演化史。& ldquo最让我兴奋的是& rdquo她说，& ldquo我们对前银河历史的了解才刚刚开始。& rdquo