在一个晴朗的夜晚，远离城市灯光，走到户外，仰望天空。你会看到银河系的光带引人注目地划过头顶。自从伽利略·伽利莱首次将望远镜对准这壮丽的景象，并注意到“银河”实际上是无数颗肉眼无法分辨的恒星以来，已经过去了四个世纪。天文学家又花了三个世纪才说服自己，银河系只是宇宙中数十亿个星系之一。
事实上，银河系本身并非仅仅是一个星系：最近的研究表明，随着时间的推移，它吸引并吞噬了许多较小的星系，并将它们的恒星融入自身。已知至少有 20 个矮星系（大小从银河系的百万分之一到百分之一不等）现在围绕它运行，可能还有数十个尚未被发现。而目前的卫星星系被认为只是曾经存在过的卫星星系的一小部分，其余的早已被引力吸入我们的星系并被吸收。这种吞噬始于银河系比现在更年轻、更小时，并且一直持续到今天——仍然存在的卫星星系最终可能会被吞噬。
在它们消亡很久之后，这些银河系引力食欲的受害者以星流的形式留下了痕迹，这些星流在天空中延伸。在过去的 15 年里，一个相对较新的领域，即所谓的星系考古学，揭示了许多这样的星流。通过研究我们星系过去的这些化石，星系考古学家正在拼凑银河系历史中的事件，并获得有关其他所谓旋涡星系如何产生和演化的线索。
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理想情况下，人们应该从外部和内部研究星系。我们无法对我们自己的星系做到这一点。但是，通过利用我们从银河系内部获得的近距离视角，我们可以获得通过从外部检查其他星系无法获得的详细信息。
这个领域已经帮助证实了银河系和其他年轻星系变大的一个过程。来自早已消失的卫星星系的多个星流的发现支持了广为接受的理论，即我们的星系最初很小，部分是通过大量增加质量而膨胀的——这个过程称为分层结构形成。尽管这种情况的许多细节仍然神秘，但我们正在缓慢但肯定地撰写银河系的传记。
如何构建星系
星系形成的分层理论认为，类似于银河系的大型星系增长的主要驱动力不是重子物质——我们可以看到的恒星、气体和尘埃，它们由构成你我的相同粒子组成。相反，动力是巨大的“晕”，或球体，其中嵌入了星系的看不见的暗物质。人们认为小的暗物质晕首先形成，然后逐渐凝聚成更大的晕，从而驱动更大的星系吞噬较小的星系。
今天，每个星系的暗物质晕都比正常的可见物质质量大得多，范围也更广。奇怪的是，尽管天文学家尚未发现暗物质的本质（我们只能通过它对其他一切的引力来感知它），但我们对这种暗物质如何聚集的景象有一定的信心，因为观测到的星系聚类和相互作用率与假设暗物质聚集的模型预测相符。星系形成的奥秘实际上不在于暗物质，而在于由我们可以在地球上研究的已知方式相互作用的粒子组成的普通重子物质。
关于重子物质如何促进星系演化的基本观点始于暗物质晕。这个天体通过引力将普通物质（以气体的形式）拉向自身。当气体到达晕的中心时，在适当的情况下，它可以形成恒星。当其中一些恒星到达生命尽头时，它们会爆炸，将其原子返回到星系内部和（可能）外部的气体中，并经常触发另一代恒星从任何剩余的气体和尘埃中形成。通过这种方式，银河系的中心核（“核球”）和它的旋臂（“星盘”）最有可能形成。
但是银河系还包括一个巨大的球体（也称为晕），其中包含环绕核球和星盘的更弥散的恒星。这些恒星中的许多可能来自早已被摧毁的矮星系的闯入者。根据星系形成的分层形成理论，恒星以一系列事件加入到晕中，这些事件大致如下：当矮星系围绕银河系运行时，它感受到大星系的引力，随着卫星星系靠近大星系，引力会变得更强。位于卫星星系靠近银河系一侧的物质（恒星、气体、尘埃和暗物质）所受到的引力比远侧的物质稍大。
结果，矮星系沿着它与大星系之间的连线被拉伸。这种拉伸源于所谓的潮汐力——与导致月球在地球海洋中引起潮汐的物理原理相同。与月球-地球相互作用不同，银河系对其卫星星系的潮汐力可能足够强大，实际上可以移除物质——在这种情况下，恒星会从矮星系的主体中被拉出来。一旦被移除，恒星就会留在银河系引力的控制之下，并沿着稍微偏离卫星星系自身轨道的路径继续前进。随着时间的推移，轻微的偏移会导致碎片稳定地扩散，变得更加弥散，并远离卫星星系，形成星流。
这个理论图景很有道理，但长期以来，科学家们缺乏观测证据。现在他们有了。许多星流的发现表明，银河系在数十亿年前的早期就开始吞噬其邻居，并且今天仍在吞噬矮星系。尽管我们主要在我们自己的星系周围看到了来自矮星系伴星的星流的证据，但这种星流可能发生在所有类似的旋涡星系周围，尽管那些遥远的星流通常太微弱而无法从远处探测到。
然而，分层形成过程的许多细节仍然难以捉摸，例如银河系何时吸收了大部分卫星星系，它多久吞噬一次矮星系，以及将它们的恒星纳入其中需要多长时间。为了回答这些问题，天文学家必须找到更多适合彻底研究的星流，以及已解体的星流的残余物。
挖掘星系化石
天文学家以多种方式在银河系中寻找星流。首先也是最直接的方式是，我们可以寻找位于相同距离的恒星群，这些恒星群以长丝状聚集在一起。为此，我们需要一张我们星系恒星的良好三维地图，该地图显示了所有方向尽可能多的恒星的距离和位置。
在过去的 15 年里，星系考古学家通过斯隆数字巡天 (SDSS) 的数据获得了他们想要的地图。该巡天使用位于新墨西哥州阿帕奇点天文台的专用望远镜，创建了一个包含银河系内超过 8000 万颗恒星的数据库，以及有关它们的距离、颜色和其他特征的信息，分布在四分之一的天空中。该目录中数量庞大的恒星为寻找银河系过去的化石提供了一个完美的挖掘地点。
最初在其他星系中诞生，随后被纳入我们自己星系的恒星比例被认为很小，大约占银河系数千亿颗恒星的 1% 或更少。但是斯隆的地图为天文学家提供了可能接近一百万颗外来恒星，用于检查早已死亡的星系的证据。星系考古学家在这张地图中寻找可能位于正确距离以位于星系晕中的恒星。在这些恒星中，他们通过在比周围环境更密集且呈尾状的区域中定位星流。天文学家部分从我与加州大学欧文分校的宇宙学家詹姆斯·布洛克合作创建并于 2005 年发表的计算机模拟中得知了尾巴的样子。我们利用我们对暗物质晕如何分层形成的理解，结合潮汐力的物理学，预测了随着许多矮星系在银河系形成过程中被吞噬而产生的星流的大小和扩散范围。
第一个令人信服的扩展星流证据出现在 2003 年，当时由弗吉尼亚大学的史蒂夫·马耶夫斯基领导的天文学家在来自两微米全天巡天（类似于斯隆的项目，在红外光下进行）的数据中，发现了从银河系已知的最近卫星星系人马座矮星系发出的巨大尾巴。这些星流位于靠近人马座星系预计轨道的附近，并且包含几乎与人马座星系本身一样多的恒星。这些尾巴非常长，以至于完全环绕着我们自己的星系。我们抓住了银河系正在攻击其最近（但显然不是最亲爱的）邻居的现行。
自那次发现以来，星系考古学家已经在斯隆目录中发掘了我们星系周围大约十几个更多的星流。从人马座星系的尾巴长度来看，我们可以说它已经丢失恒星二三十亿年了。我们看到的其他星流看起来也有几十亿年的历史。这些发现表明，银河系在其早期历史上更频繁地消化星系，并且随着可供吞噬的矮星系数量减少，最近已经放缓了速度。到目前为止，这些发现与分层形成理论的预测一致。然而，已知的星流可能只是现有星流的一小部分。应该还有更多的星流存在，只是现在太微弱而看不见，但蕴藏着对星系过去的进一步见解。
新的挖掘工具
依靠恒星位置来寻找星流会错过许多较旧的轨迹，因为在数十亿年的过程中，恒星之间轨道特性的微小差异会导致星流拉长、扩散和褪色，以至于它们失去了任何明显的结构。天文学家现在正在研究利用其他恒星属性来寻找更分散的星流，以及完全解体的星流的残余物的方法。这些恒星集合将帮助科学家探索星系形成最活跃的时期，该时期发生在 100 多亿年前，即大爆炸后的最初几十亿年内，当时宇宙中大部分恒星都形成了。那时不仅有少数几个，而是数百个小星系和星团被吸积形成银河系。
一种寻找现在已解体星系遗迹的方法是寻找具有共同轨道的恒星。在星流中的恒星变得过于分散而无法从它们的位置识别出来很久之后，我们可以利用它们的运动来识别曾经是同一卫星星系一部分的恒星，并了解它们是如何加入银河系的。这个目标是欧洲航天局的盖亚卫星正在追求的众多目标之一，该卫星于 2013 年 12 月发射。盖亚将在未来四年内创建一个改变星系考古学家游戏规则的数据集，通过测量超过十亿颗恒星的距离、位置和运动。对于我们的问题来说，这个收获令人兴奋，因为编目的恒星数量庞大，而且为每颗恒星测量的多维度信息将使我们能够计算它们的完整轨道。因此，我们可以挑选出具有相似轨道特性的恒星，这些恒星很可能来自同一个原始星系，即使它们在天空中的位置不再向我们显示它们是相关的。
此外，从某种意义上说，恒星永远不会忘记它们的出生地：它们的化学成分。这种化学成分提供了另一种发现星流的潜在方法。恒星通过其核心中的核聚变不断改变其整体成分，核聚变将轻元素合成为重元素。然而，核聚变只能发生在恒星最密集和最热的中心区域，并且人们认为恒星的大气层（天文学家测量的是大气层）与其诞生的气体相同。澳大利亚国立大学的天文学家肯尼斯·弗里曼和悉尼大学的乔斯·布兰德-霍桑的目标是利用这种完美的记忆，不是为了寻找星流，而是为了将具有相同化学指纹的恒星分组到孕育它们的星团中，而不管它们现在位于天空中的哪个位置。
弗里曼和布兰德-霍桑的简单方法，即使用单一的化学标签，将无法用于识别与矮星系相关的恒星，因为这些星系本身可能包含在许多不同星团中诞生的恒星，这些星团具有一系列化学成分。然而，宇宙历史和恒星形成的本质共同作用，因此，类似的化学方法可能会为我们提供一些关于银河系吸积历史的信息。
首先，在给定的星系内，后期形成的恒星通常比早期形成的恒星含有更多的重元素，因为构成它们的物质已经富含了前几代恒星的遗骸。其次，富集的确切过程受到气体流的影响，气体流部分受星系暗物质晕的引力影响控制。这两个效应表明，质量大致相同且在大致相同时间吸积和摧毁的星系应该贡献具有相同化学成分分布的恒星——这意味着许多不同元素的丰度范围相同。相反，星系质量或吸积时间的差异将导致其贡献的恒星的化学分布存在差异。因此，围绕我们银河系的恒星的化学成分的总体分布可能使我们能够辨别出有多少比例的恒星来自相似质量的星系在相似的时间，即使不是完全相同的星系。
杜安·李在哥伦比亚大学我的小组做研究生时，研究了这一想法。他的初步工作表明，化学标签可能足够灵敏，可以恢复来自甚至在星系历史早期就被摧毁的最小矮星系的贡献。通过了解银河系恒星的哪些比例是在不同时期到达的，我们可以开始勾勒出吞噬序列，并追溯我们星系的吸积历史，追溯到最早的时期。现在有两组人正在测量数百万颗恒星的化学成分，他们的数据可以用来解决这个问题。其中一个是由弗里曼和布兰德-霍桑领导的银河系考古学与 HERMES (GALAH) 巡天，该巡天目前正在进行试点巡天。另一个被称为 APO 星系演化实验 (APOGEE)；它于 2011 年作为正在进行的斯隆巡天的一部分开始。
星系考古学家才刚刚开始意识到，研究银河系就像研究 1000 个星系一样，因为那么多较小的天体结合起来构建了更大的天体。来自那些被纳入星系的化石不仅告诉我们银河系的历史，还告诉我们它包含的所有较小星系的历史。我们很快就能够研究许多不同大小的星系是如何在许多不同的时间形成的，所有这些都在我们自己的本地实验室中进行。未来十年内的此类分析可能会像过去十年中环绕银河系的星流的惊人发现一样，为我们对星系形成的理解做出贡献。
最终，我们希望知道宇宙中最早的星系是如何形成的。类似于我们自己的星系的最早的祖先太小太遥远，无法直接探测到。然而，星系考古学可以揭示这些最早种子的残余物——仍然带有其起源印记的长寿命恒星散布在银河系中。因此，在非常真实的意义上，挖掘我们自己的后院可以为我们打开一扇通往早期宇宙和星系形成的最初步骤的窗口，这是任何其他方式都无法企及的。