去年四月，艾米娜·赫尔米在开车去荷兰北部工作的路上感到一阵鸡皮疙瘩。这与天气无关——纯粹是期待。就在几天前，欧洲航天局 (ESA) 的盖亚任务发布了大量数据，该任务已经绘制银河系地图五年了。格罗宁根大学的天文学家和她的团队正在争分夺秒地梳理数据，以寻找关于银河系的见解，赶在其他人之前。
赫尔米和她的同事们快马加鞭地工作，兴奋得睡不着觉，他们感觉到自己发现了一些东西。该团队发现了一组 30,000 颗离经叛道的恒星。与银河系主体中的其他天体不同，后者在一个相对扁平的盘状结构中运行，这些不合常规的天体正在逆向运动，它们的轨道将它们带出银河平面。
在几周内，该团队研究出，这群发光的天体指向了银河系历史上一个长期隐藏且特别动荡的篇章：年轻的银河系与一个巨大的伴星系之间的碰撞。那个巨兽曾经像行星绕恒星一样绕着银河系运行，但在大约 80 亿到 110 亿年前，两者相撞，极大地改变了银河盘，并将恒星散射到四面八方。这是银河系在呈现出今天所见的熟悉螺旋形状之前经历的最后一次已知的大碰撞。
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尽管那次古老碰撞的信号已经隐藏在众目睽睽之下数十亿年，但直到通过盖亚数据集，天文学家才最终能够探测到它。“能够发现银河系历史上如此重要的里程碑，真是令人难以置信，”赫尔米说。
多亏了盖亚，如此具有纪念意义的发现几乎变得司空见惯。该任务旨在编目超过十亿颗本地恒星，绘制它们的光度、温度、年龄、位置和速度。正是最后两个属性对于天文学家来说尤其具有启发意义：在盖亚之前，科学家们缺乏对许多恒星距离的高精度测量，以及所谓的自行，即恒星在天空中的运动。利用这些关键信息，研究人员可以——正如赫尔米和她的同事所做的那样——寻找以协调轨迹一起运动的天体群，这些轨迹指向共同的历史。恒星速度还可以帮助天文学家追踪暗物质的影响——暗物质是不可见的且仍然神秘的物质，它构成了银河系的大部分质量，并用其引力弯曲恒星的路径。
自盖亚于 2018 年 4 月发布数据以来，已发表了数百篇论文。它们描绘了一幅比之前想象的更加动态和复杂的银河系图景。银河系充满了惊喜，包括暗示可能最终让科学家更好地掌握这种神秘物质特性的暗物质团块。英国剑桥大学的天文学家瓦西里·贝洛库罗夫说，早期、容易发现的发现已经具有变革性，然而它们仅仅是未来景象的惊鸿一瞥：“我们看待银河系的方式显然已经改变了。”
动荡的过去
太阳系位于银河系的边缘，距银河系中心约 8,000 秒差距（26,000 光年），在一个被称为猎户座的次要旋臂上。正是在这个位置，观察着横跨夜空的巨大星带，天文学家必须绘制出银河系的结构。到 20 世纪中叶，他们已经描绘出了一幅粗略的图景，确定银河系的恒星分布在一个中央凸起中，被蜿蜒的恒星臂包裹，并被一个稀薄的球形晕环绕。在 1970 年代和 1980 年代，研究人员推断出这种结构是如何在数十亿年的时间里建立起来的，最初是一个巨大的暗物质、气体和尘埃云。可见成分坍缩成一个盘状结构，然后通过吞噬较小的卫星星系而膨胀起来。天文学家后来通过使用地面望远镜反复拍摄整个夜空来补充细节。这些巡天调查使科学家能够更仔细地观察大型银河天体，例如恒星晕，他们在那里发现了被拉伸成星光熠熠的碎片流的小星系的残余物。
但是，地面巡天调查只能为天文学家提供关于银河系结构的大量信息，主要是因为地球湍流大气层的模糊限制了恒星距离的确定精度。虽然可以通过颜色变化来测量恒星朝向或远离地球的运动速度，但理清它们的自行——以及它们的完整 3D 速度——很困难，因为大多数天体在人类时间尺度上的天空运动如此之小。这个问题掩盖了许多恒星之间的关系——这些联系可能会通过它们运动的相似性来揭示。
大约耗资 7.4 亿欧元（8.44 亿美元）的盖亚任务于 2000 年获得批准，并在 13 年后发射，旨在填补这些空白。该探测器绕太阳的轨道略微超出地球轨道，从轨道上的不同位置拍摄相同的恒星。这使得天文学家能够通过称为恒星视差的量来测量距离——即天体在天空中的视位置的无限小的偏移，它伴随着视角的改变。欧空局的依巴谷卫星在 1989 年至 1993 年间运行，收集了类似的视差数据。但盖亚的精度最终将提高 100 倍。由于其灵敏度，它可以更深入地探测银河系：它观测到的超过十亿颗恒星中，约 99% 的恒星从未被精确测定过距离。
在一项计算密集型的工作中，盖亚研究人员绘制了望远镜看到的每颗恒星相对于其他每颗恒星的位置图。这使得该团队能够测量恒星在天空中移动的速度——它们的自行。然后，通过测量恒星颜色的小变化，天文学家可以指示天体沿其视线朝向或远离卫星的移动速度。这两个测量值加上从盖亚计算出的距离，提供了恒星的完整 3D 运动。盖亚可以测量它看到的最亮恒星的视线运动，但地面望远镜将有助于测量剩余的恒星。了解每颗恒星的位置和去向，研究人员可以快速梳理出隐藏的银河系历史。
赫尔米和她的同事们研究的古老碰撞就是这种情况（参见“早期银河系形成阶段的合并”）。在他们的工作中，他们发现的那组恒星具有共同起源的证据得到了新墨西哥州地面斯隆数字巡天 (SDSS) 数据的支持，该数据表明，该星团的所有成员都具有相似的化学成分。该团队选择了盖亚-恩克拉多斯作为被认为是恒星家园的矮星系的名字。恩克拉多斯是希腊神话中从盖亚后裔中诞生的巨人。
碰巧的是，贝洛库罗夫和他的同事们也使用盖亚 2016 年初步数据发布的信息发现了碰撞的证据。这些数据不包括自行读数，但通过将该数据集中的恒星位置与大约十年前拍摄的 SDSS 观测结果进行比较，该团队可以看到恒星在过去一段时间内的运动情况。他们注意到一群天体在偏心轨道上一起移动，这些轨道最终应该将它们从银河系中心带到外围。这些天体似乎起源于一次重大的碰撞，它们的共同历史因金属含量的相似性而显而易见。由于绘制的速度形成香肠状，该团队将曾经是恒星家园的古老矮星系称为盖亚香肠。
双重命名在社区中引起了一些混乱。但无论罪魁祸首叫什么，古老的合并都可能是解开银河系一个持久谜团的线索。银河系的盘有两个组成部分——一个包含气体、尘埃和年轻恒星的薄内盘像奥利奥饼干的馅料一样位于内部，而在厚外盘中几乎完全由较老的恒星组成。天文学家一直在争论是厚盘先出现，然后气体和尘埃凝结形成更薄的核，还是结构始于薄盘，然后部分膨胀。由于盖亚-恩克拉多斯-香肠在碰撞期间是银河系大小的重要组成部分，因此它会将大量能量沉积到银河盘中，加热并膨胀它。赫尔米的团队认为这是支持膨胀情景的标志，也是银河系发生剧烈变形的证据。
知识爆炸
使用盖亚数据进行如此先前难以获得的见解的速度让研究人员感到震惊。纽约市哥伦比亚大学的天文学家凯瑟琳·约翰斯顿回忆起 4 月数据发布后的第二天发表的一篇论文引起的轰动，该论文展示了太阳附近约六百万颗恒星的运动都以一种类似于蜗牛壳的奇特螺旋模式排列。
约翰斯顿说，这种模式似乎是一个指纹，由一个名为人马座的小卫星星系盖章。每当人马座靠近时，它都会引力扰动银河恒星，这应该会在盘中产生摆动和涟漪。研究人员之前曾推测过这种印记，但盖亚数据中的信号似乎是人马座影响的第一个清晰而引人注目的信号。“对我来说，那是一个令人震惊的时刻，”约翰斯顿说。“螺旋线太干净了。它看起来像一个理想化模拟的理论预测，而不是真实的数据图。”
多亏了盖亚的眼睛，这些扰动不仅突显出来，而且还在讲述一个关于银河系过去的不同故事。此前，大多数天文学家都认为，虽然银河系的外晕经历了与较小卫星星系的混乱碰撞历史，但主体却过着相当平静的生活。螺旋臂和被认为横跨中央凸起的恒星棒等特征通常被视为银河系内部动力学的产物。但似乎由人马座引起的摆动表明，外部力量对银河系的形状的影响比以前认识到的更大。
新泽西州普林斯顿大学的天体物理学家阿德里安·普莱斯-惠兰说，盖亚正在迫使研究人员重新审视一些用于简化模型的经典假设。“我们知道这些假设是错误的，”他补充道。“盖亚现在向我们展示了它们错得有多离谱。”
绘制黑暗面
绘制银河系发光天体的地图也可能有助于揭示暗物质，暗物质可能占银河系质量的 90%。理论家怀疑我们的银河系位于一个巨大的、大致呈球形的暗物质晕中，就像普通物质一样，由于引力而聚集成较小的结构。宇宙学模拟表明，数千个大型暗物质团块绕银河系运行，偶尔会被中心的大量暗物质吞噬，这个过程类似于银河系吞噬其小型可见卫星星系。
大多数暗物质亚结构被认为几乎不包含或不包含恒星，这使得它们难以探测。但盖亚可能在 GD-1 中找到了其中一个的线索，GD-1 是 2006 年发现的一条长长的恒星流，横跨半个北天。这条恒星流对于审查并不陌生，但盖亚使普莱斯-惠兰和马萨诸塞州剑桥市哈佛-史密森天体物理中心的的天文学家安娜·博纳卡能够更自信地挑选出该星群的真正成员。去年 11 月，他们和其他两位同事确定了结构特征，包括一个明显的间隙，这可能是大约 5 亿年前与一个大型天体相遇的疤痕。当假定的扰动者快速掠过星流时，它可能会通过引力拉扯一些恒星来分离恒星链，使它们能够拉到它们的同伴前面。
博纳卡说，最有可能的罪魁祸首似乎是一个致密的暗物质团块，可能介于太阳质量的百万倍到一亿倍之间。这种估计可能对暗物质的物理模型产生影响。暗物质粒子的质量有助于决定其移动速度，进而决定其可能形成的星团的大小。博纳卡说，GD-1 扰动者的大小在一个有趣的范围内，这可能会排除质量相对较低的假设暗物质候选者。
博纳卡和她的团队现在有兴趣使用盖亚数据来确定星流中受扰动恒星的速度，这可能指向假定的暗物质团块的轨道。如果他们能够确定今天可能在何处找到它，他们或许能够探测到它对其他物质的引力效应。或者，他们可以将 γ 射线望远镜对准该点，以寻找暗物质粒子相互湮灭或衰变的证据，这些过程可能会发射出高能光子。这两种技术都可能为探测这种不可见物质的物理性质提供更直接的手段。
然而，普莱斯-惠兰说，很难从一个单一的例子中推断出太多东西。他希望使用盖亚目录和未来的天文台（例如，预计于 2020 年代初期开始收集数据的智利地面大型综合巡天望远镜）进行的系统研究将揭示更暗淡的恒星和其他恒星流。如果其中一些星流也显示出与暗物质团块相遇的影响，它们可能会让天文学家更好地了解此类星团的丰度和大小，这将有助于确定暗物质的性质。
天文学家希望盖亚关于恒星运动的数据也将帮助他们绘制出银河系黑暗面的大致形状。根据构成暗物质的粒子类型，银河系的暗物质晕可能具有不同的球形度或对称性。贝洛库罗夫预计，来自盖亚关于本地恒星轨道的信息将足以在未来两到四年内追踪出暗物质晕的整体质量和形状。
这些发现不会局限于银河系。关于银河系历史和暗物质分布得出的结论将反馈到用于探索宇宙大型结构如何生长和变化的宇宙学模型中。盖亚已经获得了首次任务延期至 2020 年底，荷兰莱顿大学的天文学家安东尼·布朗是该任务数据处理和分析联盟的主席，他认为该卫星可以继续收集数据到 2024 年，总共执行十年任务。他说，这次延期应该使盖亚目前跟踪的恒星的自行测量精度提高三倍。并且它可以提供关于更遥远恒星的信息。
盖亚的最终遗产尚未书写，但所有迹象表明它将是巨大的。来自 SDSS 等全天巡天调查的数据在完成十多年后继续为宇宙提供富有成果的发现。赫尔米期待着随着盖亚目录变得更大更详细，进一步回溯银河系的历史。“我发现最令人兴奋的事情之一，”她说，“是我们才刚刚开始真正深入挖掘过去。”
本文经许可转载，并于 2019 年 1 月 16 日首次发表。