銀河系中心金屬量低的紅巨星示意圖。 (H.-W. Rix/MPIA)

散佈在銀河系中心的零星恆星是古代銀河系核心的遺留物,當時我們的銀河系還很年輕。

有一群天文學家根據目前最精確的銀河系三維地圖的測量結果,以及一個神經網絡系統來探測超過 200 萬顆恆星的化學成分,他們已經識別出了來自我們銀河系初期的 18,000 顆恆星,當時它們還只是一個緊湊的原星系集合體,即將聚合成為更大的星系。

不過在以前的研究中早就發現了這類恆星群的跡象。

由馬克斯·普朗克天文學研究所的天文學家 Hans-Walter Rix 領導的一個團隊在研究中寫道:「但是我們的研究結果,大大充實了現有的畫面,表明確實存在一個在原位緊密結合的『冰山』,它的尖端之前就曾經被確認過了。」

蓋亞任務測量出古老恆星

銀河系 130 億年的歷史是一個巨大又美妙的謎題,尤其是我們需要從現今銀河系的樣貌中挖掘它的演變過程。

恆星群可以根據共同特徵聯繫起來,例如它們的運行規律和化學成分(一般被稱為金屬量),這也是歐洲太空總署蓋亞太空望遠鏡的任務。

多年來,蓋亞這顆人造衛星與地球共享繞太陽的軌道,仔細追蹤恆星,並測量它們在銀河系內的三維位置和運行狀況。

此外,蓋亞進行的測量還可以估計恆星的金屬量。

金屬量可以將恆星聯繫在一起,因為具有相似成分的恆星可能同時誕生在同一地點。它也可以告訴我們一顆恆星的大致年齡,因為某些元素在周圍有恆星形成之前並不存在於宇宙中。

在宇宙中的金屬元素

就在 138 億年前的大爆炸之後,元素的多樣性並不豐富。

原始宇宙主要由氫和少量的氦組成,其他元素不多。 當第一顆恆星在這種介質中形成時,它們熾熱的緊密核心開始將原子粉碎在一起形成更重的元素:氫變成氦、氦變成碳等等,一直到最大質量的鐵。

一旦恆星達到它們融合原子核的能力極限,它們就會死亡,通常是在一個像超新星一樣的過程中,它們會將融合的產物噴向太空。

高能量的超新星爆炸也會產生較重的金屬,例如金、銀和鈾。然後小恆星在形成過程中吸收了這些元素。

恆星在宇宙中形成的時間越晚,它可能擁有的金屬就越多。因此,較高的金屬量意味著較年輕的恆星;而「貧金屬」的恆星則被認為年齡較大。但是當它們繞銀河系中心運行時,並不是所有的恆星軌道都是相同的。

當你在相似的軌道上發現一群金屬含量相似的恆星時,可以合理地得出結論,這群恆星是一個已經聚集了很長時間的群體,也許是從形成開始。

天文學家的最新研究

Rix 和他的同事使用蓋亞收集的數據來觀察銀河系幾千光年內的紅巨星。他們確定了有 200 萬顆恆星,並透過神經網絡系統對來自這些恆星的光進行了分析,可以精確定位它們的金屬量。

他們還發現了一群具有相似年齡、金屬量和軌道的恆星,這表示它們在銀河系產生恆星並因與其他星系的碰撞而膨脹之前就存在了,大約是從 110 億年前開始。

我們知道,銀河系中最古老的恆星早於第一次大碰撞,與一個名為 Gaia-Enceladus 的星系發生碰撞,但銀河系中心的這個星群似乎是它們的一個連貫星群。

Rix 稱它們為銀河系「可憐的老心臟」,因為它們的金屬量很低,非常古老,並且是在銀河系的中心找到的。研究人員說,這個星群是原銀河系的遺留物。

在原星系的恆星

這些在宇宙早期形成的恆星束並不是成熟的星系,而是它們的種子。在銀河系的初期,有三四顆這樣的種子聚集在一起,形成了後來我們銀河系的核心。

這些古老恆星並不是在原星系中誕生的,而是原星系恆星死亡後形成的一代恆星。研究人員發現,它們的年齡超過了 125 億年。

這個發現引發了許多問題,研究人員希望對這些問題進行調查。

這些恆星的空間分佈是怎樣的?它們是否有任何特殊的金屬量可以告訴我們更多關於銀河系的早期狀況?它們的分佈能告訴我們關於銀河系的碰撞歷史嗎?

而且,也許最緊迫的是,它們能否引導我們找到那些在銀河系最早的形成階段聚集在一起的原星系中的恆星——更小、更暗、更難找到?

原星系中的恆星很古老,而且可能金屬量很低,但銀河系的古老心臟最終可能會有關於我們銀河系歷史的豐富答案。

該研究已發表在 The Astrophysical Journal 上。

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參考資料:

  1. Starr, M., (22 December 2022). Astronomers Have Discovered The ‘Poor Old Heart’ of The Milky Way. ScienceAlert
  2. Rix, H., Chandra, V., Andrae, R., Price-Whelan, A. M.,Weinberg, D. H., Conroy, C.,… Ruz-Mieres, D., (2022). The Poor Old Heart of the Milky Way. The Astrophysical Journal
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/astronomers-have-discovered-the-poor-old-heart-of-the-milky-way  (H.-W. Rix/MPIA)
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