天文學(xué)家用一次觀測重建整座銀河系的生命史

天文學(xué)家首次提出，他們能夠僅憑對一座星系的一次觀測，就重建出這座星系數(shù)十億年的“生命史”。這種新方法被稱為“河外考古學(xué)”（Extragalactic Archaeology），研究團隊借助人工智能和星系內(nèi)部化學(xué)元素的“指紋”，為銀河系以外的星系撰寫跨越宇宙年齡尺度的“傳記”。

相關(guān)研究近日發(fā)表在《自然·天文學(xué)》（Nature Astronomy）上，作者認為，這一工作有望成為認識星系如何在漫長宇宙時間中形成、并合與演化的新“野外指南”的基礎(chǔ)。為此，研究人員從一個具體案例入手：對螺旋星系NGC 1365內(nèi)部氧元素分布的微小差異展開分析。

一般而言，星系中心區(qū)域的氧元素含量最高，從中心向外逐漸遞減，這是這類較重元素的典型分布梯度。但如果在這一梯度上出現(xiàn)異常起伏，就可能意味著星系經(jīng)歷過重大“人生事件”：例如新恒星或黑洞的誕生、老恒星的超新星爆發(fā)，或者星系之間的碰撞與并合等。

研究團隊構(gòu)建了約2萬種不同類型星系的演化模擬，涵蓋了星系在成長過程中可能經(jīng)歷的各種“陣痛”，包括恒星形成、黑洞活動、氣體運動，以及不同化學(xué)元素的演化等，并為這些模擬星系設(shè)置了完整的“身世背景”。隨后，團隊利用人工智能，將這些模擬數(shù)據(jù)與真實觀測到的NGC 1365進行比對，尋找與該星系化學(xué)指紋高度匹配的情景，從而推斷出它的演化路徑。

“我們僅憑一座螺旋星系當(dāng)下的化學(xué)指紋，就重建出了它詳細的成長歷史。”論文第一作者、哈佛-史密森天體物理中心主任麗莎·丘利（Lisa Kewley）在接受Refractor采訪時表示。

團隊的分析顯示，NGC 1365的中心區(qū)域在宇宙早期就已形成，幾乎可以追溯到137億年前宇宙誕生之初，并在這一階段產(chǎn)生了氧元素。在隨后的約120億年中，星系外圍的氣體通過與矮星系的碰撞與并合不斷補充，外圍氣體逐漸累積并推動星系長大，而這些并入的矮星系恒星也為外緣帶來了新的物質(zhì)來源。

這只是一個星系的故事，而“河外考古學(xué)”的目標是為銀河系之外數(shù)量巨大的星系重建“生命史”。研究人員希望通過這種方式尋找這些星系的“化石記錄”：雖然星系并不像地球生命那樣擁有骨骼，但其內(nèi)部的氣體、塵埃、恒星、暗物質(zhì)結(jié)構(gòu)等，都在其漫長演化中留下了可供追溯的痕跡。

在傳統(tǒng)研究中，天文學(xué)家通常依賴“紅移”來刻畫星系的距離和年代——光譜向紅端偏移得越明顯，意味著星系距離越遙遠、觀測到的是越早期的宇宙階段。這是因為宇宙整體在膨脹，最早形成的星系正在以更快的速度彼此遠離。

紅移在衡量星系年齡方面依然是重要工具，但“河外考古學(xué)”試圖回答的是另一類問題：星系在億萬年間如何并合、如何交換氣體與其他物質(zhì)、如何通過這些過程塑造出今天的樣子。幸運的是，人工智能、大規(guī)模數(shù)值模擬以及高分辨率望遠鏡觀測等新技術(shù)的結(jié)合，使得這種雄心勃勃的研究路徑逐步變得可行。

在丘利看來，NGC 1365是開展這類“考古”研究的一個理想案例。“這項研究表明，對一座星系內(nèi)部氧元素的精細成像圖，如果能系統(tǒng)地與成千上萬種模擬星系進行比較，就能大幅收窄它可能的演化路徑。”她說。

當(dāng)然，NGC 1365只是宇宙中數(shù)以百億計星系中的一個，研究人員強調(diào)，下一步需要將同樣的方法應(yīng)用于更多類型的星系，并覆蓋不同的并合序列和演化分支。如果一切順利，他們希望最終能編寫出一本“典型星系野外圖鑒”：就像在地球上看到一只鳥，人們不僅可以描述它現(xiàn)在的外形特征，還可以推斷它的成長環(huán)境和演化歷程，天文學(xué)家也能通過星系的“化學(xué)指紋”和結(jié)構(gòu)“外貌”，推斷其恒星與氣體何時、如何匯聚成今天的模樣。

作為一門仍處于起步階段的研究方向，丘利指出，“河外考古學(xué)”還有許多有待完善之處。“隨著我們納入更多化學(xué)元素、更多星系樣本，以及更精細的模擬，這一方法將變得更加強大。”她說，并表示研究團隊的長期期待是，借助這一新工具更好地揭示遙遠星系的歷史，不僅幫助人類理解整個宇宙的演化，也讓我們對自身所在的銀河系在宇宙中的位置與來歷有更清晰的認識。