僵尸星系?银河系或数十亿年前就已“死亡”

2016年02月04日 07:36 新浪科技 微博
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有一种观点认为,就像一个僵尸,我们的银河系其实早已“死去”,但却还继续“活着”。左图是一个旋涡星系,其中有很多发着蓝光的年轻恒星;右图是一个椭圆星系,其中有很多发红光的年老恒星  有一种观点认为,就像一个僵尸,我们的银河系其实早已“死去”,但却还继续“活着”。左图是一个旋涡星系,其中有很多发着蓝光的年轻恒星;右图是一个椭圆星系,其中有很多发红光的年老恒星

  新浪科技讯 北京时间2月4日消息,据英国《每日邮报》报道,有一种观点认为,就像一个僵尸,我们的银河系其实早已“死去”,但却还继续“活着”。我们的近邻——仙女座大星系的情况可能也类似,这个星系可能早在数十亿年前便已经死去,但直到近期才开始表露出它“死亡”的征兆。

  星系似乎可以有两种非常不同的死亡途径,分别由两种非常不同的机制过程所驱使——这里所说的“死亡”是指星系中不再孕育新的恒星。对于银河系或者仙女座星系这样的星系来说,这一死亡的过程是极其缓慢的,常常持续数十亿年之久。

  随着时间推移,星系如何以及为何会停止产生新的恒星?如何以及为何会改变自己的形状?这些都是星系天文学家们想要弄清楚的重大问题。

  现在,我们很有可能正在接近能够回答这些问题的边缘。而这一进展部分要归功于全世界无数的志愿者们,正是这些默默无闻的普通人,通过志愿奉献出自己的业余时间,帮助专业天文学家们梳理数以百万计的星系图像数据样本,并进行归类,从而大大加快了专业天文学家们的研究进展。

星系大致可以分类为旋涡星系和椭圆星系。前者内部常常含有发蓝色光芒的质量巨大但寿命短促的年轻恒星,而后者则多含有质量较小,发偏红光芒的年老恒星。这样的分类方法是根据20世纪初进行的巡天结果划分的  星系大致可以分类为旋涡星系和椭圆星系。前者内部常常含有发蓝色光芒的质量巨大但寿命短促的年轻恒星,而后者则多含有质量较小,发偏红光芒的年老恒星。这样的分类方法是根据20世纪初进行的巡天结果划分的

  星系中新生恒星的孕育

  星系是一个活跃的系统,它不断将其内部的气体转化为新生的恒星。和人一样,星系也需要食物。不过对于星系来说,它的食物就是从周围的宇宙网结中汲取新鲜的氢气。宇宙中的大部分可见物质都被束缚在一张我们看不到的无形大网结构中,由暗物质构成的无数巨大的晕和线状结构勾结成了这张宇宙之网,这是宇宙中最大的结构。

  随着这些气体云团进一步冷却并在暗物质晕的引力作用下聚集,它们就会逐渐形成一个盘状并进一步冷却,最终这些气体云团开始分裂,并在各自自身引力下塌缩形成一个个新的恒星。

  另一方面,随着恒星逐渐老去并死亡,它们会通过恒星风或超新星爆发的方式将一部分气体重新返还给星系。随着大质量恒星在猛烈的超新星爆发中消亡,它们会加热周围空间中的气体物质并阻止它们快速冷却的进程。

  这就构成了天文学家们所称的反馈机制,星系中的恒星形成过程在这样的反馈机制循环中达到了自我平衡。死亡恒星产生的大量热量加热星系中的气体,造成它们无法快速冷却收缩,也就无法快速形成新的恒星,最终控制了星系中新生恒星诞生的速率。

  大部分能够孕育新生恒星的星系都是盘状的,比如旋涡星系或棒旋星系,银河系就是一个棒旋星系。但还有一种非常不同的星系类型,那就是椭圆星系,它们的外观一般接近圆形或是椭圆形。这些星系相比之下不会那么活跃——它们已经失去了新鲜气体的供应,因此也已经停止了新生恒星的形成。其内部的恒星轨道显得混乱,从而使整个星系形成了相对更规整的外观。

  如上所述,这些椭圆星系有两个重要的不同点:首先这些星系已经不再形成新的恒星了,其次它们的外观与旋涡星系很不一样。我们可以猜想,这些星系之前一定是发生了某些不同寻常的情况,最终产生了这样巨大的不同。那么这样的情况到底是什么?

为了掌握更多样本,在统计学尺度上对整个问题进行全面考察。研究人员需要对SDSS等巡天项目拍摄的数以百万计的大量星系图像进行外形等方面的逐一排查分类。他们发起了一项名为“星系动物园”(Galaxy Zoo)的众包项目,任何人都可以登录这个网站参与工作  为了掌握更多样本,在统计学尺度上对整个问题进行全面考察。研究人员需要对SDSS等巡天项目拍摄的数以百万计的大量星系图像进行外形等方面的逐一排查分类。他们发起了一项名为“星系动物园”(Galaxy Zoo)的众包项目,任何人都可以登录这个网站参与工作

  蓝色=年轻,红色=年老?

  星系大致可以分类为旋涡星系和椭圆星系。前者内部常常含有发蓝色光芒的质量巨大但寿命短促的年轻恒星,而后者则多含有质量较小,发偏红光芒的年老恒星。这样的分类方法是根据20世纪初进行的巡天结果划分的。

  然而,更近期进行的一些现代巡天观测,如美国的斯隆数字巡天项目(SDSS)所记录到的星系数量远远超过了100年前的观测。在SDSS的记录中,科学家们发现其中的很多星系开始难以被归类到这两种分类中的任何一种中去了。

  比如,天文学家么注意到有一类星系内部含有偏红色的年老恒星且相对平静的星系,其外观仍然大致是盘状,而不是椭球体外观。不知怎的,这些星系在停止恒星形成的同时竟然没有改变自身的结构,这让科学家们困惑不已。但这还没完,科学家们同时也观测到一些散发着蓝光的椭圆星系。这些蓝色椭圆星系的结构与那些“红色的死亡椭圆星系”是类似的,但它们却散发着年轻大质量恒星的蓝光,显示其内部仍然存在活跃的恒星新生作用。

  这究竟是怎么回事——红色的旋涡星系和蓝色的椭圆星系?这完全与我们之前以为完备的理论不符合。

对银河系进行这样的研究要困难的多。我们生活在银河系内部,因此要想从总体上判断银河系的情况就困难重重。但是完全可能的情况是,和仙女座大星系一样,我们的银河系可能早在数十亿年前就已经死去了  对银河系进行这样的研究要困难的多。我们生活在银河系内部,因此要想从总体上判断银河系的情况就困难重重。但是完全可能的情况是,和仙女座大星系一样,我们的银河系可能早在数十亿年前就已经死去了

  伟大的志愿者们

  为了掌握更多样本,在统计学尺度上对整个问题进行全面考察。研究人员需要对SDSS等巡天项目拍摄的数以百万计的大量星系图像进行外形等方面的逐一排查分类。然而这样的海量工作让人望而生畏。于是他们想到了请求世界各地天文爱好者们的帮助,希望能够借助志愿者们的力量克服这个巨大的困难。

  他们发起了一项名为“星系动物园”(Galaxy Zoo)的众包项目,任何人都可以登录这个网站注册账号,随后会有一个简单的任务介绍和练习。当你对星系分类有初步了解之后,系统就会开始从数据库中调取SDSS等巡天项目拍摄的星系图像,你就可以开始轻点鼠标,对这些星系进行归类。而为了确保分类的准确性,每一张星系图像都会被反复提交给不同的志愿者进行归类,从而从统计学上最大程度降低分类错误的可能性。

  当科学家们隔了一段时间之后查看后台数据,他们惊讶地发现所有需要分类的数百万个星系都已经被平均鉴定了70次,从而让科学家们有了扎实可靠的星系大样本归类分析数据,并且这一分析数据还自动带有概率误差估计。比如,有些星系的分类异议较小,70名志愿者中有65人认为这个星系属于椭圆星系。很好!但也有一些星系的归类志愿者之间存在较大异议,这也很说明问题,能够为专业天文学家的工作提供很多有价值的信息。

  借助“人多力量大”这样简单粗暴的手段,科学家们成功克服了大样本分析中遇到的难题,而人类大脑对于复杂图像分类识别方面的优势是目前任何计算机算法模型都还无法比拟的。在志愿者们的帮助下,天文学家们发现了更多蓝色椭圆星系和红色旋涡星系的案例。

  “绿谷”和僵尸星系

  星系演化的分界点被称作“绿谷”(green valley)。这名字听上去似乎令人有心旷神怡之感,但实际上它是指那些介于发蓝光,正有大量新生恒星形成的星系(被称作“蓝色云”-blue cloud)以及发红光,成员恒星相对年老的星系(被称作“红色序列”-red sequence)之间的星系类型。

  也就是说,那些发绿光或是其他中间型颜色光的星系可能正处于恒星形成过程即将终止的状态,但目前仍然还有缓慢的恒星形成过程,在此期间有少量恒星诞生。这显示星系的死亡过程“刚刚”发生,或许只是在数亿年前。

  当科学家们审视不同星系的死亡速率时,他们发现死亡过程相对缓慢的是那些旋涡星系,而死亡过程相对迅速的则是那些椭圆星系。必定存在两种不同的机制决定了这样的速率差异。

  当科学家们对于这一问题开展深入研究时,情况开始变得明了:外界新鲜气体物质的供应在很大程度上决定了这两种不同的演化路径。

  想象一个像我们银河系这样的旋涡星系,一直以来它都在利用外部供应的新鲜氢气物质孕育着大量的新生恒星。

  然后发生了某些事,切断了这个星系从外部获得新鲜气体供应的途径。这样的事情有很多种可能:或许是它落入了一个大型星系团内部,温度较高的星系间气体阻止了新鲜气体流入星系内部;或许是这个星系的暗物质晕急速膨胀,导致流向星系的气体被加热,以至于在宇宙年龄的时间尺度内都无法冷却到足够低的温度。不管是何种情况,现在这个漩涡星系就只能依靠自己内部仅剩下的一些气体物质维持恒星的形成了。

  由于这样的气体储备可能是巨量的,而气体合成恒星的过程本身又非常缓慢,因此我们的旋涡星系可以在很长很长的一段时间内一直维持较低但不为零的恒星新生速率,从而让它看上去呈现的是“卑微地活着”的状态,但在数十亿年的时间范围内,这样的恒星新生速率仍然将会不断下降,直到完全停止。

  旋涡星系这种利用剩余气体储备维持新生恒星诞生,从而导致的极缓慢的死亡过程容易给我们造成一种错觉:当我们意识到这个旋涡星系的恒星形成临近停止时,实际上触发它死亡的按钮可能早在数十亿年前就已经按下了。

  仙女座大星系是距离银河系最近的大型星系,它就是一个位于“绿谷”中的星系,也就是说它很有可能早在数十亿年前就已经死亡——根据这一最新理论,仙女座大星系很有可能是一个僵尸星系——早已死亡,但一直以“卑微活着”的面目示人。

  那么银河系的情况呢?对银河系进行这样的研究要困难的多。我们生活在银河系内部,因此要想从总体上判断银河系的情况就困难重重——正所谓“不知庐山真面目,只缘身在此山中”。

  但是,依据精确性没有那么高的有限的数据,我们可以大致判断银河系基本上是处在边缘位置,即将滑落到“绿谷”中去。因此,完全可能的情况是,和仙女座大星系一样,我们的银河系可能早在数十亿年前就已经死去了。(晨风)

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