銀河新發現:或已找到殘存的極早期銀河系核心區

2022-12-26 10:50:40 最後更新日期:2022-12-26 13:07:25
William Lam

現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

 metal poor giants已經光譜數據探測到接近相同金屬含量與年齡的18000個紅巨星集團,集中在銀河核心7000光年的範圍內。之所以研究團隊選擇紅巨星進行計算,主要因為紅巨星夠大,足夠科學家觀測到清楚的光譜數據。(圖片來自連結1)

由馬克斯・普朗克天文學研究所負責人天文學家 Hans-Walter Rix 為首的天文學家團隊,在《天文物理學期刊》(The Astrophysical Journal)上發表有關銀河系早期歷史的論文,他們以歐洲的蓋亞天文光學觀測衛星中國的LOMAST光譜望遠鏡(亦即我們更多聽到的郭守敬望遠鏡)及人工智能系統為銀河系大約 200 萬個紅巨星級恒星進行位置測繪及化學成份測定,並發現大約在銀心附近有一個1.8萬個恒星組成的集團。這個集團的恒星都很古老,最古老的有127億歲,即大約在宇宙誕生後10億年就出現,而且大家的金屬含量(天文學上的「金屬」是泛指比氦重的元素)無論在數值和不同元素比例上都相當接近,顯示他們是幾乎同一時間形成的恒星。

metal poor giantsAK型恒星的光度更接近橙色,質量大約是太限的0.6至0.88倍,壽命大約有130至300億年,整體比太陽更溫和,但沒有M型恒星那樣暗弱和光度不穩定,恒星周邊環境相對更穩定,故有人指這類恒星更適合其行星系上的生命存在與進化。(圖片來自連結1)

這堆星算是早期第二星族恒星,他們的質量似乎只有太陽0.82-0.87倍,由質量推斷出的預期壽命大約為140至165億歲且主要是K型恒星,所以才仍能存活到現在並處於紅巨星階段。有證據指這些都是貧金屬星而且金屬成份、含量都相近,大約只佔全星最多0.15-0.16%(相對而言,太陽中佔1.6%,為其10倍)。

科學家估計這批恒星極有可能屬於早期聚集成銀河系的小型星系成員,甚至有可能就是原始銀河系的成員,而且形成時只距當時核心不遠,當時距宇宙大爆炸大約只有12億年,銀河系大概只是一個比現在小一大截的原始星系。由於當時宇宙範圍尚小(可觀測宇宙只有12億光年,而因暴脹期變得更大的整個宇宙也可能只有30億光年),氣體密度比現時大很多,故更容易吸引附近的原始星系進而合併。這批恒星應該是銀河系最早的第三星族星爆炸後的衝擊波及重金屬物質混合、擠壓後形成的,估計也可能是銀河系第一批第二星族星。

metal poor giantC左圖為人馬座矮橢球星系,其正經歷被銀河系徹底蠶食的過程中。其正以與銀河平面呈直角的角度繞行銀河系。由於相屬恒星及星系已大半被銀河吸收,目前核心只餘下少量質量,以及一連串被拋在軌道上的星星。預想中的GSE星系若果要與銀河系合併而不影響銀心的恒星運行,大約就只有用這形式;中為球狀星團NGC 2808,剛好位於銀河系飛馬旋臂最外圍,有指其就是殘存的GSE星系的核心,因為其當中至少有兩、三代恒星,不像一般球狀星團只有一代。其質量達1百萬太陽質量,是銀河系內最大球狀星團;無獨有偶,隔鄰仙女座星系的G1球狀星團比NGC 2808更大,但情況也一樣,也被認為是被仙女座星系吞併後的星系殘餘。(圖片來自片段截圖及網上圖片)

頗有意思的是,星系間的合併其實不算激烈,頂多是讓部分恒星改變圍繞銀心公轉的軌道而已。然而奇特之處在於,即使銀河系已經過無數次的星系合併,這堆星星仍然沒有偏離繞銀心的軌道。過去星系合併、恒星很容易因為其他恒星接近引起的引力擾亂而彈離原有軌道,部分甚至會飛離銀河系的重力控制,但……仍然有這麼大批且密集的老年恒星圍繞銀心公轉,這實有點不可思議,究竟過去的銀河系合併是遵從什麼形式,才未至於把這些恒星集團「折散趕走」?

Himiko HST SST Subaru wider.max 1400x800卑彌呼原本是一種被稱為萊曼α斑點的天體,看上去有三個光斑,但中間才是該星系核心,兩邊是由星系中心超大型黑洞「吹」出來的高熱物質。卑彌呼到現在還是被發現到宇宙最初十億年內最大的天體。(圖片及資料來自連結1)

事實上,這次研究似乎亦有助解釋宇宙年齡只有十二億年時,銀河系究竟有多大及其基本狀況是怎樣—究竟只是個小型原始星系,還是質量已有一定規模的中型星系?現時發現最大的早期星系被稱為卑彌呼星系,質量已有400億個太陽質量及5.5萬光年直徑,最遲於宇宙年齡只有7.5億年時就出現。

W020190722656363325546左為電腦模擬星系在24億年內的合併過程,可見若兩者相差無己,結構可以受嚴重破壞;右為NGC 2623合併星系,可見兩個星系都被扯出長長的星流。暫時還未發現銀河系有類此扯得那麼遠的結構。(圖片來自連結1連結2)

湊巧的是,今次發現的古老恒星集團,基本就是銀河系其中一次最大合併事時前出現,沒多久後一個質量達500億倍太陽質量的GSE星系與銀河系開始合併,至大約70億年前才合併完成,科學家也相信這次合併事件是至今為此最後一次銀河系大規模合併。究竟合併前的銀河系大概是怎麼的?併合過程究竟有多激烈 / 安靜?相信今次發現的銀河系最古老現存恒星集團可進一步提供答案。可以大膽推測,合併前銀河系應該是比GSE更大更重的星系,否則被拆散的應該是銀河系,而今次發現的恒星集團也不會聚團存活至今了。

發佈於 科學新知
By 2022-12-26

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