《自然》:这个关于银河系的基本认知,被完全颠覆了

小禹宇鱼

银河（图片来源：Pixabay）

一直以来，人们在对银河系进行研究时，都认为其中的星际气体是混合均匀的。一方面，这是由于以往观测技术的限制；另一方面，看上去“虚空”浩渺的星际空间，似乎也让这个假设看起来合理。一项最新的天文学研究却颠覆了这个传统观念：银河系不仅不是均匀的，甚至很“杂乱”，不同区域的成分可能差异巨大。这也告诉我们，茫茫宇宙中还有无穷的奥秘等待人类探索。

编译 | 李诗源审校 | 王昱

数以亿万级的耀眼恒星织成了银河，点缀了黑暗的夜空。在这些彼此相距遥远的恒星之间，也并非是完全的“真空”，而是充斥着星际介质。其中的一个重要成员，便是由恒星贡献的“金属”——在天文学里，所有比氦更重的元素都统称为金属。当恒星寿终正寝，并以爆炸完成华丽的谢幕时，它们会将自己产生的金属（如铁、锌、碳和硅等）以原子形式喷射出来，释放到星系介质的气体中。

除了来源于恒星的金属之外，星际介质中还有两个重要成员。恒星喷射出的金属会逐渐凝缩成尘埃颗粒，尤其是在星系中较为寒冷和致密的区域。而来源于星系间、被吸入星系的原初气体（pristine gas）不含金属，其主要成分是氢，也含有少量的氦。原初气体为星系提供了新鲜的“补给”，同时也为新恒星形成提供了原料。

在上百亿年前，银河系诞生之初，其中是不含金属的，而正是恒星释放的金属丰富了银河系环境的成分。了解银河系中的气体和金属成分，可以帮助人们更好地理解其历史和演化过程。

理论上，星际介质中的金属丰度可以用极紫外吸收光谱测量。但由于尘埃中的金属元素呈固态，而非可观测的气态，所以科学家无法对太阳附近以外的区域的金属丰度作出准确测量。因此，现有的星系理论模型默认，星际介质中的三种成分（来源于恒星的金属、尘埃和来源于星系间的原初气体）是均匀混合的，而且在银河系的大部分区域，金属丰度都与太阳大气层中（即太阳金属丰度）相当，但在银河系中心区域，由于恒星分布更为密集，金属丰度略高。

然而近日，一支由瑞士、美国、智利和法国天文学家组成的研究团队在《自然》上发表了他们最新的研究成果，表明银河系中星际介质的成分并未像此前人们所想的那样是均匀混合的。相反，银河系的不同区域，金属丰度存在剧烈的波动。这项发现可能对现有的星系演化理论产生重要影响，也意味着对银河系演化进行模拟的模型或许需要修正。

新的观测技术

研究团队使用了哈勃空间望远镜、甚大望远镜（VLT）等的观测数据，对银河系中的25颗恒星光谱进行了研究。“当我们观测恒星时，恒星和观测者之间的气体中的金属会吸收微量的、特定频率的光，这一特征吸收光谱，不仅可以让我们得知金属的存在，还可以告诉我们其种类以及丰度。”索尔邦大学巴黎天体物理研究所的帕特里克·珀蒂让（Patrick Petitjean）解释道，他也是这篇论文的作者之一。这些恒星与太阳的距离都不超过3千秒差距（1秒差距≈3.26光年）。



研究观测的恒星与太阳的相对位置及金属丰度。（图片来源：原论文）

为校正以往观测中尘埃对金属丰度测量的影响，研究团队开发了一种新的观测技术，其中应用了两种独立的方法来估计尘埃对观测结果的影响。“这项技术通过同时观测多种元素，例如铁、锌、钛、硅和氧，将气体和尘埃的总成分纳入分析。然后，我们就可以追踪尘埃中的金属含量，并与此前的观测获取的数据叠加，获知总的金属丰度。”研究人员对此解释道。

并不均匀的银河系

结果令研究团队感到意外：不同的恒星金属丰度并不相同，其差异可以超过一个量级。其中，丰度最低的仅为太阳的17%，最高的则超过太阳的180%。此外，大约2/3的恒星金属丰度都低于太阳金属丰度，平均金属丰度为太阳的55%，这也与此前的观点，即银河系中各处的金属丰度都与太阳相当，有很大的出入。此外他们还观测到，这种不均匀性的分布跨度可以超过数十秒差距。不过，他们没有发现金属丰度和恒星与银河系中心的距离有明显的关联。

研究人员认为，落入银盘中的原初气体与金属丰度较高的星际介质的混合，可能造成观测到的金属丰度较低。这些原初气体的金属丰度极低，它们落入银盘时形成了高速云团，难以有效地与星际介质混合，可能最终造成了星际介质金属丰度分布的不均匀。目前的观测结果也表明，银盘吸入原初气体的速率远高于产生和维持这种不均匀性的需求。也就是说，原初气体的云团可能非常常见，并且能解释研究的结果。

此前科学家们认为，原初气体与星际介质可以高效地混合。但这一新的发现表明，这一过程并没有那么高效迅速，可能的原因之一是，参与混合的不同组分之间的物理特性差异巨大。



原初气体（洋红色）被吸入银盘中，但它们并不能和银河系星际介质混合均匀。（图片来源：Dr Mark A. Garlick）

金属在恒星、宇宙尘埃、分子和行星的形成中起到了基础性的作用。这一研究，也让科学家们开始展望未来的银河系研究。“这项发现，对构建关于星系形成和演化的理论模型产生了重大影响。”研究团队的成员之一、日内瓦大学天文学院的延斯-克里斯蒂安·克罗加格（Jens-Kristian Krogager）表示，“今后，我们要进一步提升分辨率，让模拟变得更精细，将银河系不同区域金属丰度的差异纳入考虑。”

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03780-0

参考链接：

https://www.unige.ch/communication/communiques/en/2021/surprise-la-voie-lactee-nest-pas-homogene/

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