疾速恒星揭示银河系的命运

恒星运动图可以显示银河系是否会在未来与仙女座星系合并——以及更多信息

Astrophotograph of a spiral galaxy

仙女座星系。

Jim DeLillo/Alamy Stock Photo

尽管我拥有博士学位,但在内心深处,我仍然认为自己是一个业余天文学家——一个纯粹为了享受观星的乐趣而仰望夜空的人,无论是通过望远镜的目镜、电脑屏幕,还是仅仅用肉眼。

我已经坚持了四十多年,在我看到的所有事物中——行星、星系、爆发的恒星、恒星摇篮等等——我从未亲眼见过一颗移动过的恒星。

哦,当然,恒星每天晚上都会升起和落下,但这仅仅是地球自转的字面反映,天文学家称之为周日运动。不,我这里指的是相对运动:一颗恒星相对于周围的恒星发生了明显的位移。这么多年来,猎户座看起来仍然像猎户座,北斗七星仍然像北斗七星。经过这么长时间,在我看来,恒星仍然是固定不变的。


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但这只是我们有限的寿命和不够敏锐的视力造成的错觉。恒星确实在移动,只是移动得太慢以至于难以察觉。它们的细微运动可能需要几个世纪才能变得足够显著以被探测到。

正是天文学家埃德蒙·哈雷(您可能听说过以他名字命名的彗星)首先提供了这方面的证据。在他1718年写给英国皇家学会的一封简短信件中,他指出,夜空中最亮的三颗恒星——天狼星、大角星和毕宿五——自希腊天文学家喜帕恰斯大约在公元前130年绘制星图以来,已经发生了显著的位移,尽管后来发现他在毕宿五的问题上犯了错误,但其他两颗恒星确实发生了移动,他的论证的基本原理仍然是合理的:恒星不再能被认为是天空中“固定”不动的。

曾经几乎令人难以置信的事情现在已成为相对普遍的知识:今天我们知道——当然!——所有的恒星都在高速移动;太阳以大约每小时80万公里的速度绕银河系中心运行。一架以如此快的速度移动的喷气式飞机将在不到20秒的时间内飞越美国大陆。尽管速度如此之快,但恒星是如此遥远——至少数万亿公里——以至于这种运动被简化为一种明显的爬行:正如哈雷所意识到的那样,这种运动非常缓慢,以至于需要几个世纪才能用肉眼注意到。

天文学家称之为自行;“自行”在旧式意义上使用,意思是“属于”。它在现代天文学中起着重要作用。

您能看到的所有恒星实际上都在太空中移动,因为它们都在绕星系中心运行。然而,它们以不同的速度、不同的方向移动,并且距离不同,这意味着我们看到的每颗恒星的运动也不同。最大的因素是距离;靠近太阳的恒星看起来移动得更快因为透视,就像您在高速公路上行驶时,附近的树木似乎呼啸而过,而远处的建筑物或山脉移动得慢得多。

最近的恒星具有最高的自行。速度记录目前由巴纳德星保持,这是一颗昏暗的红矮星,距离我们不到六光年。即便如此,它也并非真的在天空中飞驰;这颗恒星需要将近两个世纪才能在天空中移动半度,相当于满月的视大小。尽管如此,这仍然足以在短短一年左右的时间内,即使使用小型望远镜也能轻松记录到它的运动。

天狼星,夜空中最亮的恒星,其自行速度远低于巴纳德星,但仍然足够快,以至于其天体位置在喜帕恰斯和哈雷时代之间移动了半度以上;难怪这位杰出的天文学家注意到了。

如今,恒星自行的影响很容易看到。一种方法是查看,例如,哈勃太空望远镜拍摄的同一片天空区域的图像,这些图像拍摄于相隔数年。经过这么长时间,再加上哈勃惊人的清晰视觉,一些运动是显而易见的。

An animation displaying the proper motion of the edge of the Cygnus Loop nebula as seen by the Hubble Space Telescope

哈勃太空望远镜在2001年和2020年拍摄的图像动画显示了天鹅座环星云一部分的自行,这是一个由大约20,000年前一颗垂死恒星产生的膨胀气体泡。尽管其位置变化看似细微,但此处看到的物质以每小时超过50万英里的速度在星际空间中移动——速度快到足以在不到30分钟内从地球到达月球。

致谢:NASA/ESA/STScI/Ravi Sankrit (STScI)

事实上,天文学家有时在使用哈勃等望远镜时必须考虑自行。如果他们使用例如1970年代的旧坐标来瞄准一颗恒星,他们可能会最终将望远镜指向天空的错误部分,并完全错过这颗恒星!(我实际上见过这种情况发生;这是一个真实而重要的问题。)

恒星的自行可以用来确定在它附近看到的天体是否真的就在附近——就像一个候选系外行星一样——还是一个背景星系或其他遥远的冒名顶替者。当恒星移动时,行星将被看到随之一起移动,而星系将保持固定。相隔几年拍摄的图像可以确定差异。另一个用途是“称量”黑洞;天文学家已经使用靠近银河系中心黑洞人马座A*运行的恒星的运动来计算它的质量,并发现它惊人地是太阳质量的四百万倍。

恒星的自行分为两个分量测量:南北运动和东西运动。这给了我们它在天空中的二维运动,我们称之为横向运动。天文学家也有办法测量恒星朝向或远离我们的运动(所谓的径向速度),通过将其与自行相结合,我们可以找到恒星在太空中的总三维运动。

多年来,天文学家使用这种技术构建了天空中的恒星的3D地图,这可以在理解我们当地的银河系邻域中发挥关键作用。以相同方向和相同速度移动的恒星可能彼此关联,即使它们在天空中相距遥远;这就是宇宙中离我们最近的恒星比邻星被发现是半人马座α星系第三个成员的方式。这也可以用来寻找属于星团的恒星,这仅凭距离可能很难确定。

构建这种3D地图是欧洲航天局盖亚任务的目标,该任务已经测量了银河系甚至其他星系中超过十亿颗——是的,十亿——恒星的位置和自行。

使用盖亚数据,天文学家一直在尝试确定仙女座星系相对于我们自身在太空中的速度。仙女座星系是银河系最近的大型邻居,距离我们约250万光年——但它一直在靠近。径向速度测量表明,它正以每秒略高于100公里的速度向我们靠近,这使得碰撞似乎不可避免——尽管还要再过大约40亿年。

然而,仙女座星系的横向运动仍然不确定。它的侧向运动可能很小,从而导致碰撞,或者它可能与星系的径向速度相当,在这种情况下,仙女座星系将大幅度摆动并错过我们。所以它会碰撞还是不会碰撞?这尚不清楚。但好消息是,确定性将很容易到来——前提是我们有耐心。随着时间的推移,恒星的运动更容易测量,因为它们离初始位置越来越远,使得运动更加明显。

迟早,恒星会告诉我们仙女座星系和银河系是否会变得非常、非常熟悉。如果是这样,那么在几个永世之后,我们可能不得不进行适当的介绍。

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