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撰文罗德里戈·伊巴塔(Rodrigo Ibata)
布拉德·吉布森(Brad Gibson)
翻译谢懿
审校赵刚
星际移民
小星系一旦靠近巨星系，就会受到强大的引力潮汐作用，逐渐扭曲、瓦解，并被拉成纤细而壮观的星流。
发现这些星际移民，需要一双锐利的眼睛。从理论上说，这些恒星会排成长长的一串(也就是星流，stream)，从而暴露自己的行踪，就像拥挤舞池中的康加舞队一样(康加舞起源于拉丁美洲，舞者会排成一个长队一起舞蹈)。逆流追溯，有些星流会通向球状星团或者银河系的某个卫星星系——那里大概是星流中恒星的发源地，有些星流则通往那些发源地如今仅存的遗迹。但实际上，由于“土著居民”相对均匀地分布在银河系中，星流几乎无法从点点繁星中突显出来，也就很难被人发现。为了克服这一难题，最近许多研究人员都采用了“匹配过滤”技术(matched-filter technique)，这是第二次世界大战时期开发出来的技术，当时被用来获得来犯敌机的清晰影像。只要知道了土著恒星和“星际移民”的大致形态，这项技术就能过滤掉前者，让星流显现出来。
本文作者之一伊巴塔及同事在1994年发现的人马座星流，可能是最令人印象深刻的已知星流。这条星流宛如一串巨大的恒星项链，环绕在银河系周围。它的跨度超过100万光年，包含了大约1亿颗恒星，一直连接到人马座矮椭圆星系(Sagittarius dwarf elliptical galaxy，“矮”是指星系规模很小，“椭圆”是指星系形状呈椭球状)。银河系周围与它类似的小星系共有15~20个，它们就像卫星绕着行星一样围绕银河系旋转(因此又被称为卫星星系)。这些卫星星系大小不等，既有质量约为银河系十分之一的大麦哲伦云(Large Magellanic Cloud)，也有质量为银河系百分之一的人马座矮星系，甚至还有质量仅有银河系百万分之一的暗弱星系。
居住在银河系附近可不是一件舒服的事情。这些小星系会逐渐变形，并被最终瓦解。人马座矮星系已经垂死挣扎了几十亿年，现已经走向瓦解。它的恒星将散落在整个银河系中，现在这样的星流也会逐渐消失，未来的天文学家将很难把它们与银河系的土著恒星区分开来。其他几个小星系也正在被银河系肢解，有些现在只剩下了一条星流(见第81页的表格)。大麦哲伦云则代表了另一类较为少见的现象——银河系从那里夺走的是气体，而不是恒星。
星系瓦解背后的机制是引力的潮汐作用，这是我们非常熟悉的，同样的机制在地球上产生了海洋的潮起潮落。一个天体的不同部分经受不同的引力作用时，潮汐力就会产生。月球对地球朝向它的一面所施加的引力，比对背向它的一面施加的引力更大。两个力之间的差异尽管很小，不足以扯碎地球，却足以让海洋微微隆起。随着两个天体的相互绕转，海洋的隆起部位也会跟着转动，使地球上某一地点的海平面出现周期性的抬升或降低。与此类似，银河系也会在卫星星系或星团的一侧，施加比另一侧更大的引力作用，使它们扭曲变形。在这样的作用下，卫星星系或星团中的恒星会逐渐被银河系拖走(见下图所示)。久而久之，卫星星系失去的恒星就会越来越多。这些恒星像面包上掉落的面包屑一般，在卫星星系的前后形成了长长的尾巴。
更微妙的线索
星流会被银河系逐渐吸收，最终化为无形。然而六维相空间中的微妙线索，却能在茫茫星海之中，找到这些“星际移民”的蛛丝马迹。
如此看来，人马座矮星系等卫星星系在银河系的构建过程中做出过贡献。这些发现彻底改变了天文学家原先对星系形成的理论认识：他们曾经认为，所有的星系都直接起源于原始宇宙中几乎察觉不到的物质密度涨落(天文学家观测证实，早期宇宙各处的物质密度几乎相同，仅有大约万分之三的差异)，其后便经历了早期的雪崩式生长，很快演化成现在这副模样。现在，基于对星流的观测，研究人员普遍认为，只有质量不超过10亿倍太阳的矮星系经历了这样的快速形成过程；像银河系这样质量相当于千亿颗太阳的大型星系，则是后来通过吸积和吞并矮星系而逐渐形成的。这种吞并过程一直持续至今，不过强度已大不如前。
银河系吞噬近邻星系的过程被天文学家抓了个正着，他们又提出了更加深入的问题：这些古老的星系“建筑原料”具有什么样的化学组成？现在的大型星系中“星际移民”和“土著居民”的比例是多少？这些小星系带来的化学元素如何改变银河系早期的演化历史？这些星流就像化石一样，记录着星系构建的历史，除此之外，它们还能在探测暗物质方面大显身手(见下页短文)。
要弄清这些问题，天文学家不仅需要了解哪些恒星正在被银河系掠夺，还要知道哪些恒星是已经被俘虏过来的。研究人员遇到的困难在于，一旦外来的恒星和气体混入银河系，我们就无法通过特有的空间分布来识别它们。天文学家必须找到更微妙的线索，来追溯这些恒星的起源，例如它们的运动模式和化学组成上的一些难以抹去的固有特征。
我们都习惯用位置和速度来刻画物体的运动。但运动还有其他不同的特性，可以用诸如能量和角动量之类的物理量来描述。正如物体的空间位置能够用3个坐标来描述，因此被称为三维空间一样，我们也可以用位置加上动量(一共6个物理量)来描述物体的运动状态，这个抽象的六维空间被称为相空间(phase space)。相空间的优点在于，与真实空间相比，恒星在相空间中的排列模式更有还原性(这里是指经历巨大变化之后恢复原状的能力)。尽管星系的吞并消化过程通常会破坏星流的空间结构，却无法抹去它们在相空间的整体结构[这就是统计力学中的一个重要原理——刘维定理(Liouville's theorem)]。
因此，通过测量能量、角动量和相空间中恒星随机样本的密度，研究人员就能识别出无法直接观测到的星群。它们是很久以前被银河系瓦解的卫星星系的魅影。几个研究小组，例如荷兰卡普坦天文研究所(Kapteyn Astronomical Institute，位于格罗宁根市)的阿明娜·希勒米(Amina Helmi)和美国华盛顿大学的克里斯·B·布鲁克(Chris B. Brook)各自领导的小组，已经用这项技术发现了一些被吞并的卫星星系的遗迹。目前已被发现的遗迹都位于太阳系附近，因为现有设备还无法足够精确地测量更遥远恒星的三维运动。
《环球科学》2007年第5期
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