常理 經點科學
電影《流浪地球》中，地球像宇宙飛船一樣在太空中“四處流浪”，而現實中，與太陽類似的恆星不僅會在本星系內運動，甚至會從一個星系“流浪”到另外一個星系，這是怎樣一回事？
北京時間2019年4月30日凌晨，國際科學期刊《自然·天文》（Nature Astronomy）在線發佈我國天文學家主導的一項重大發現。中國科學院國家天文臺趙剛研究員領導的中日合作研究團隊證實了銀河系內一顆重元素（包括銀、銪、金、鈾等）含量超高的恆星起源自被銀河系瓦解的矮星系。
新發現的這顆銀河系“外來移民”示意圖。（中國國家天文/繪製）
論文作者、國家天文臺副研究員李海寧表示，銀河系周圍約有50多個矮星系，它們受到銀河系強大的引力，甚至被銀河系“吞併”，從而在銀河系中留下大量星際“移民”，而一旦這些移民恆星久居於銀河系，就很難將它們與銀河系的土著恆星區分開。
而此次發現，為銀河系併合事件提供了確切和可靠的化學證據，為基於化學DNA識別銀河系中的 “外來移民”提供了新的線索。
元素：恆星的DNA
自然界的萬物，大到宇宙中的恆星，小到地面上的螞蟻最終都是由化學元素週期表中的化學元素所組成。而這些元素從何而來呢？
曾獲得諾貝爾物理學獎的化學元素合成理論是這樣描述的：宇宙誕生之初，大爆炸產生了大量的氫、氦和極其微量的鋰，隨後這波大爆炸物質開始冷卻，直到2億年後，宇宙中才出現了第一代恆星。
恆星的核心就像化學元素的“鍊金爐”，恆星可以在它的核心爐裡逐漸煉成各種化學元素，其中比氦重的元素都被天文學家稱為“金屬”元素。
元素週期表。（網絡圖片）
而這些恆星以極其壯烈的方式—超新星爆炸結束自己短暫的一生，將其製造的金屬元素散播到星際之中，為後代恆星的產生提供原料。
天文學家發現，恆星很大程度上保留了它誕生時所處環境的化學成分，因此無論長大後的恆星何去何從，它們身上攜帶的化學成分就像生命密碼DNA一樣，成為天文學家揭秘恆星起源的重要線索。
然而，星星離我們如此遙遠，星光又如此微弱，天文學家如何獲知這些星星的奧秘呢？
這要感謝十九世紀德國光學儀器師J. Fraunhofer第一次發現了太陽光譜。利用太陽光譜，可以探測太陽大氣的化學成分、溫度、壓力、運動、結構模型以及形形色色活動現象的產生機制與演變規律，可以認證輻射譜線和確認各種元素的丰度。
光譜的發現真正開啟了人類探索恆星內部化學組成的大門，恆星光譜就像是恆星的指紋，天文學家可以通過一個恆星的光譜，測量出恆星的溫度和光度，推斷出它的大小、年齡、化學成分，甚至可以重現這顆恆星的“星路”歷程。
中國天文學家自主研製的郭守敬望遠鏡（LAMOST），是目前世界上光譜獲取率最高的天文望遠鏡，巡天七年，獲取了1125萬條光譜，這些星光裡的“彩虹”為天文學家探索銀河系形成與演化及星系物理等前沿科學的種種奧秘提供了最有力的數據支持。
郭守敬望遠鏡（國家天文臺供圖）
重元素超高：“外來移民”露出馬腳
銀河系是如何形成的？
天文界更傾向的理論認為宇宙中一開始有很多小分子云，這些分子云各自形成很小的包含恆星和氣體的矮星系，所謂矮星系就是擁有恆星數量較少且總體質量較小的星系。
然後，這些矮星系不斷碰撞合併形成更大的星系，也就是銀河系的雛形，最後這個初始的銀河系不斷地“吞噬”附近的矮星系最終形成了現在規模的銀河系。
（網絡圖片）
一直以來，天文學家們一直努力地尋找矮星系被銀河系“吞噬”的證據。獲知銀河系中現有的恆星到底哪些是銀河系原有的“土著居民”，哪些是來自於近鄰矮星系的“外來移民”？從而推動銀河系形成與演化的研究。
論文第一作者國家天文臺邢千帆博士介紹說，依託我國重大科技基礎設施LAMOST望遠鏡的光譜數據，研究團隊在銀暈（銀河系外圍由稀疏分佈的恆星和星際物質組成的球狀區域叫銀暈）中發現了一顆快中子俘獲過程元素含量超高的重金屬恆星，這顆恆星的銪相對於鐵的比率是太陽的10倍之多，大大超出了同類恆星的平均值，它攜帶了大量包括金元素在內的重元素，堪稱銀河系的一個“金庫”。
（國家天文臺供圖）
目前，天文學家在銀暈中僅發現了30餘顆該類恆星，如此稀有的恆星引起了天文學家們的強烈好奇，這些星到底來自哪裡？它們是銀河系裡的“原始居民”還是來自近鄰矮星系的“外來移民”？
一系列的問題推動著天文學家繼續前行。要想為恆星尋宗問祖，還需從星星們的DNA——化學元素組成開始研究。
DNA鑑定：揭示真實身份
被銀河系吞噬的矮星系與目前倖存的矮星系具有相近的質量，因此它們擁有的成員星也具有相似的化學特徵，通過研究銀河系附近矮星系成員星的化學組成，天文學家們便可獲知矮星系家族裡恆星的化學特徵，從而像做DNA鑑定一樣把銀河系內來自矮星系的恆星篩選出來。
星系大小比較圖。（國家天文臺供圖）
研究人員發現銀河系近鄰矮星系的成員星中α元素（鎂、硅、鈣和鈦等）的含量明顯低於銀暈內恆星的平均值。基於此，目前“α元素含量低”的特徵就像一條DNA生命密碼一樣成為了篩選銀河系中外來“移民”的有效判據，幫助天文學家們找出銀暈中最初來自於矮星系的恆星。
根據這個線索，邢千帆等人對這位身份可疑、重金屬元素含量超高的恆星開展了α元素含量的DNA鑑定，經測量，這顆恆星的α元素含量異常低，僅僅為同類恆星的五分之一，而具有類似化學成分的恆星在銀河系近鄰矮星系中卻是普遍存在的。因此初步斷定這顆銀暈中的恆星是“外來人員”，極可能是銀河系併合矮星系時帶來的“移民”。
為了進一步證實這顆恆星的真實身份，我天文學家藉助日本的8米光學望遠鏡進行了高分辨率光譜觀測，確定了這顆星更加精細的化學成分，獲取了其24種元素的含量，並分別與矮星系恆星和銀暈場星進行了細緻比較，對比發現這顆恆星的化學成分與矮星系恆星高度吻合，明顯不同於銀河系的暈族恆星。
因此通過如上的DNA親子鑑定，這顆奇特恆星的“身世”和“家族史”終於浮出水面，其果然是來自於被銀河系瓦解的矮星系。
經濟日報經點科學工作室出品
記者：常理
閱讀更多 經點科學 的文章
