天文学家鲍勃·本杰明在过去的20年里一直试图弄清楚银河系是什么样子的。这项工作并不容易，因为我们身处银河系内部，无法从外部看到它，但天文学家们有巧妙的变通方法，本杰明认为“这是一件可知的事情”。在他的脑海中，浮现出天文学家们目前拼凑出的图像：一个稠密的棒状中心，嵌入在气体和恒星的分层盘中，其中一些堆积成螺旋穿过圆盘的旋臂，所有这些都包裹在一个稀疏的球形恒星晕中。
拼凑出如此多的银河系地图非常困难，以至于在采访中，本杰明和其他天文学家反复引用盲人摸象的故事：看不见的盲人分别触摸大象的鼻子、耳朵或腿，分别描述成蛇、扇子或树干；他们完全错过了整头大象。至少天文学家们知道他们不知道什么。他们知道银河系不同部分的恒星年龄不同，但他们无法解释原因。他们知道恒星形成于巨大的气体云中，但这些云几乎无法绘制地图。他们见过其他星系相互合并，看起来杂乱无章，但他们不知道早期的银河系是否也可能做过同样的事情。当本杰明开始他的职业生涯时，他认为银河系处于平衡状态，自诞生以来一直稳定、有序和优雅。
但近年来，随着科学家们开始系统地大规模绘制恒星图，这种景象已经发生了变化。大量的数据来自一批新的巡天观测，最著名的是欧洲航天局（ESA）的盖亚天文台的巡天，它们正在收集惊人数量的信息。截至1993年，欧空局之前的星图卫星依巴谷已经绘制了250万颗恒星的地图；到2023年，盖亚已经绘制了约18亿颗恒星的地图。
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盖亚于2016年发布了首批数据，并得到了其他望远镜和巡天观测的补充，形成了一个首字母缩略词汤——尤其是斯隆数字巡天（SDSS）的阿帕奇点天文台银河演化实验（APOGEE）及其刚刚启动的银河系绘图仪（MWM），以及径向速度实验（RAVE）、大天区面积多目标光纤光谱望远镜（LAMOST）、利用赫尔墨斯进行的银河考古学（GALAH）、阿塔卡玛大型毫米/亚毫米波阵列（ALMA）和高分辨率光环中的赫克托谢尔（H3）。这些项目共同收集了数百万颗恒星的图像和光谱——恒星的光被分散到其各自的波长中。
有了所有这些数据，天文学家们正在制作第一批精确的银河系地图：恒星在三维空间中的位置，以及通过反复拍摄它们在一段时间内的图像而获得的运动记录。结果是一部深入、高分辨率的由数十亿颗旋转的恒星组成的电影，这不仅有助于揭示银河系的结构，还揭示了其出乎意料的动荡历史，以及其恒星的历史和银河系制造更多恒星的方式。“这是天文学知识的单次最大增长，就像，永远以来，”哈佛大学的查理·康罗伊说。“这令人震惊。”
简而言之，这些地图显示的不是研究人员预期的静态平衡状态下的银河系，而是银河系偏离平衡状态。正如威斯康星大学白水分校的天文学家本杰明所说，“哦，我的天哪，这是真的。哦，我的天哪，真是一团糟。”
当然，绘制恒星图并不是什么新鲜事。大约4000年前，古代美索不达米亚人观察太阳、月亮和行星在黄道星座的背景下移动——真正的天堂牧羊人、老人、帕比尔萨格（一个蝎子状的神）、山羊鱼、雇工——他们认为这些星座是由伟大的神马尔杜克排列的，以便人们可以安排他们的生活并组织年份。如果一个婴儿出生在月亮位于金牛座的月份，然后月亮逐夜移动，穿过黄道星座生物的其余部分，直到它绕回到金牛座，那么这个婴儿就满一个月大了。为了追踪这些运动，美索不达米亚天文学家观察特定的恒星，后来的学者称之为正常星，并伸出手指测量正常星与月亮、太阳和行星之间的每日距离。
大约在公元前120年，希腊天文学家喜帕恰斯用一个通用的经纬度网格取代了对着天空伸出的手指，恒星可以定位在网格上。从1600年代初期开始，并在接下来的技术上非凡的几个世纪中持续发展，天文学家发明了望远镜，然后是更大的望远镜，可以看到更暗淡的东西。然后他们添加了相机和摄谱仪，可以收集和分析星光，后来他们通过将卫星送入地球扭曲大气层之上来改进相机的焦点。这些技术的成果，就像恒星的数量一样，也令人震惊：美索不达米亚人可能会有大约一个手指或更小的误差，大约一度的弧度，而喜帕恰斯的误差约为半度，或30角分。然而，盖亚卫星的误差不超过24百万分之一角秒，相当于1000公里外的一根人头发的宽度。这种精度意味着天文学家可以在银河系中找到结构，这些结构不仅是其地图的特征，也是其历史的证据。首批发现的结构证实了恒星以星流的形式在光环中划过弧线，这些星流一起诞生，至今仍作为一个整体运行。
安娜·博纳卡最近获得了她的第一份教职工作，担任加利福尼亚州帕萨迪纳市卡内基天文台的常驻科学家，但她自中学时代就对我们的星系感兴趣。她学会了使用大量的SDSS数据来寻找环绕并束缚银河系的恒星晕中的结构。已知光环位于星系的最远端，由古老的恒星组成，并被认为是毫无特征的，但它非常暗淡，以至于天文学家对此知之甚少。“我真的被这项工作的大数据集、大海捞针的方面所吸引，”博纳卡说。在研究生院，她的导师建议她在光环中专门寻找恒星流。她不知道什么是恒星流，但很快就认为它们“非常酷”。
2006年，SDSS和其他巡天观测首先开始验证光环恒星，这些恒星具有相同的颜色和亮度，似乎以长流的形式一起移动，就像博纳卡后来研究的一个名为三角座的星流一样。天文学家怀疑这些星流来自银河系外部——它们的恒星诞生于一些小的、附近的星系中。然后，当那个星系太靠近更大的银河系的引力潮汐时，它们被拉入星流中。
这幅图景很有道理，但验证它很复杂。首先，要相信恒星在一个星流中，天文学家需要看到这些恒星是相关的——它们诞生于同一个星系，并且年龄相同。当恒星在同一个气体云中一起诞生时，它们带有云中存在的元素的独特化学特征。随着恒星老化，它们将轻元素转化为更重的元素，天文学家称之为“金属”，然后在爆炸中死亡，将金属散射回周围的气体中。在一个星系的气体中生活和死亡的恒星世代越多，新诞生的恒星的金属含量就越高；金属含量越高，恒星就越年轻。在一个星流中的恒星，形成于同一个星系的气体云中，应该具有相同的化学成分和年龄。
其次，星流中的恒星应该具有相同的运动。朝向或远离我们的运动很容易从恒星光谱中计算出来，但对它们在天空中的所谓自行的测量一直不精确。“如果你的误差范围太大，你就看不到星流，”荷兰格罗宁根大学的阿米娜·赫尔米说，赫尔米星流就是以她的名字命名的。“我们迫切等待着盖亚。”
2016年，盖亚开始发布其丰富的数据——数十亿颗恒星的化学成分、年龄以及精确的三维位置和运动，包括自行。借助盖亚数据以及来自其他巡天观测（尤其是SDSS的APOGEE）的测量，天文学家能够可靠地识别哪些恒星诞生于银河系之外并移民进来，哪些是“原位”诞生于此的。他们不仅可以验证外来的恒星流，还可以追踪每个星流的轨道，回到它自己的小星系。
图片来源：罗恩·米勒（银河系侧视图）；S. Payne-Wardenaar/K. Malhan，MPIA（合并示意图）
到2021年，天文学家已经在光环中发现了60个星流；其中23个可能起源于矮星系或银河系的球状星团（神秘的由多达一百万颗恒星组成的束缚球，围绕我们的星系运行）。博纳卡说，总共有“比盖亚之前多10倍的星流”。这些恒星的年龄通常约为100亿年。星流本身的年龄更难估计，但它们可能已有数十亿年的历史。博纳卡预计天文学家最终将发现大约100个星流。
贯穿光环的星流是银河系偏离稳定状态的首批迹象之一。然后，科学家们开始发现其他不遵循预期模式的恒星群。2017年，博纳卡和她的团队在错误的位置发现了一批银河系恒星：它们位于古老的、贫金属的光环中，并具有古老光环恒星的轨道，但它们具有来自银河系圆盘的年轻恒星的富金属化学成分。博纳卡想知道它们是否是圆盘恒星，不知何故游荡到了光环中。
第二年，剑桥大学的瓦西里·贝洛库罗夫领导的团队在光环中发现了另一批完全不同的恒星，它们异常快速地朝着与光环其余部分相反的方向运动。他们将这批错误方向的恒星命名为香肠，形状像豆子。另一个由赫尔米领导的团队发现，这颗豆子状星群的恒星也很古老且贫金属；他们将这颗豆子状星群称为盖亚-恩克拉多斯，以大地女神盖亚的儿子恩克拉多斯的名字命名。2023年，博纳卡和她的同事发现了一条恒星流，它与这颗豆子状星群具有相同的古老、贫金属化学成分和错误方向的运动，并认为这条星流可能正在追踪这颗豆子状星群坠入银河系的过程。天文界务实地为这颗豆子状星群确定了一个折衷名称，即盖亚-恩克拉多斯香肠（GES）；GES型实体的通用名词是“斑点”。
与此同时，贝洛库罗夫团队“重新发现”了博纳卡团队的错位圆盘恒星，现在已知它们是GES的一部分。换句话说，在一团外来的贫金属恒星斑点中，有一群富金属恒星是银河系的原生恒星。他和他的同事们认为，当GES与我们的星系碰撞时，它将原生恒星从它们在圆盘中的正常轨道溅射出来，并溅射到光环中。他们将这群恒星称为飞溅。
将他们的斑点、星流和飞溅放在一起，天文学家们得出结论，在80亿到100亿年前，恩克拉多斯——大约是银河系四分之一大小——与我们的星系正面相撞，并作为一个斑点合并到其中。贝洛库罗夫说，“正面相撞，你会猛烈撞击，迅速瓦解并死亡。”GES恒星现在构成了银河系光环的大部分，而这次合并使银河系的圆盘变厚。博纳卡称之为“银河系历史上最具变革性的事件”。
更早、不那么剧烈的转变发生在星系本身的主体中，而不是在光环中。2022年，三个不同的团队发现了原星系显然正在转变为星系的迹象。同样，验证很复杂，并且取决于了解哪些恒星是银河系的原生恒星。
哈佛大学的康罗伊是一个团队的成员，该团队测量了原位恒星的化学成分，并发现了两个星族：一个星族是古老的、贫金属的、混乱运动的，并且缓慢地形成恒星；另一个星族是年轻的、富金属的、连贯运动的，并且形成恒星的速度快10倍。天文学家们认为这些星族代表了星系历史的不同阶段，并将这些阶段分别称为“慢炖”和“沸腾”。与此同时，贝洛库罗夫和一个团队测量了原位恒星的轨道，也发现了两个时期，他说：早期是贫金属恒星的轨道“乱七八糟”，后期是富含金属的恒星的轨道更连贯——“一个转变，”他说，“从一团乱麻到相对寒冷的旋转圆盘。”他们将这团乱麻称为极光，以古希腊黎明女神的名字命名。德国海德堡马克斯·普朗克天文研究所的汉斯-瓦尔特·里克斯和他的团队观察了天空中两百万颗原位恒星的化学成分，并在星系中心发现了一群受引力束缚的古老、贫金属恒星。他们称之为银河系的“贫瘠老心脏”。
撇开名称不谈，所有三个团队都同意他们可能正在研究相同的转变：一个混乱的原星系充满了古老的、贫金属的恒星，它们朝各个方向运动，然后旋转成一个圆盘，并开始像焰火一样形成新的恒星。博纳卡是康罗伊团队的成员，她不确定这些观测结果是否已经汇聚成一个连贯的故事，“但看起来我们确实看到了一些相同的东西，”她说。“这有点像大象。”
恒星只讲述了故事的一部分，因为银河系只部分是恒星——其余大部分是气体。恒星诞生于气体云，因此两者密切相关。然而，研究恒星的天文学家和研究气体的天文学家在很大程度上在不重叠的社区中工作。本杰明属于两者，但更认同气体研究人员，而不是恒星研究人员。因为恒星诞生于气体中，并在后来用它们产生的元素丰富气体，所以气体天文学家对星系如何保持活力以及因此它的现状感兴趣。并且因为恒星保留了其起源的轨道和化学成分，所以恒星研究人员倾向于对星系如何演化以及因此它的过去感兴趣。“我把星系看作是活着的和呼吸的，”本杰明说，“而那些[恒星]研究人员把它当作需要法医鉴定的犯罪现场来对待。”
天文学家在过去大约100年才能够绘制气体云的地图，因为这些云——它们很大、弥散且暗淡——很难研究。观测者可以勾勒出它们在天空中的位置，但只能近似估计它们的距离和形状。盖亚数据允许科学家通过恒星探测气体云，但该方法是间接的，是通过代理的代理来完成的。
气体云99%是气体；另外1%是尘埃，一种与气体充分混合的细烟尘，以至于尘埃地图或多或少是气体地图。尘埃可以通过其对星光的影响来识别：穿过尘埃的恒星看起来更红更暗。通过绘制变红、变暗的恒星图，科学家可以追踪尘埃的轮廓，从而追踪气体的轮廓。充满尘埃的气体云中也散布着众所周知的、精确位置的恒星，天文学家可以将这些恒星点连接起来以绘制云图。尽管如此，维也纳大学的若昂·阿尔维斯说，这种间接测量就像通过“触摸大象尾巴上的毛发”并观察“大象的百万分之一部分”来描述大象。
由哈佛-史密森天体物理学中心的凯瑟琳·祖克领导的一个天文学家团队发现了十几个或更多长条状的气体云，像牙签一样散落在星系旋臂中，这些云可能充当旋臂中大量新恒星的诞生地；发现者称这些云为“骨骼”。另一个团队发现了一个单一的、更大的但同样细长的气体云，他们称之为分裂体。第三个团队由阿尔维斯领导，绘制了具有新生恒星团的气体云——阿尔维斯称之为“局部恒星育婴室”。“令人震惊的是，这些育婴室都排列在一条狭窄的线上。”从侧面看，这种排列看起来像一个波浪，像分裂体一样，但更大，在星系平面上起伏；研究人员将其命名为拉德克利夫波。拉德克利夫波比骨骼长10倍，宽100倍。
这些气体丝之所以有趣的一个原因是，它们——尤其是骨骼——可能与星系的旋臂重合，但目前还没有人知道星系有多少条旋臂。到目前为止，这些旋臂看起来不太像连贯的结构，而更像是旋臂加上分支羽毛，这使得对其数量的计数变得棘手。如果我们能从外部观察我们的星系，我们可能会看到它介于所谓的絮状螺旋星系的不规则、斑驳的旋臂和“宏伟设计”螺旋星系的优雅、有序的旋臂之间。共识是：旋臂最好在我们不居住的星系中研究。
最近，另一个由祖克领导的团队绘制了所谓的本星气泡的地图，这是一个围绕太阳系、由热的、稀薄的气体组成的几乎空旷的区域，并发现气泡的轮廓由成群的年轻恒星勾勒出来，这些恒星都在向外运动。研究人员提出，这个气泡大约在1400万年前由一群恒星以超新星的形式爆炸而产生，扫过周围的气体并将其带入一个巨大的球体，气体在其表面冷却成云，并开始形成自己的恒星。
本杰明和其他人想知道气体结构——骨骼、分裂体、拉德克利夫波和本星气泡——是否是同一种东西的变体：长长的气体丝，在这些气体丝内部，较小的云被压缩成恒星。本杰明说，“你看到这个长长的、黑暗的、[尘土飞扬的]东西，然后，砰！里面形成了一个小小的明亮气泡，然后你看到更多的暗线，然后再看到另一个明亮气泡。”阿尔维斯说，这“就像项链上的珍珠”。
也许分裂体、拉德克利夫波和本星气泡在历史上是相关的。本星气泡位于分裂体和拉德克利夫波之间。阿尔维斯说，“我们生活在一个气泡中，介于一条大蛇和一条小蛇之间。”他和他的队友推测，如果我们能够倒转时间，看到1500万年前分裂体和拉德克利夫波的位置和运动，我们会发现两者足够接近以至于相交。就在它们假定的交叉点，那里的气体本应最稠密，最有可能产生新的恒星，天文学家们看到了一群活跃的年轻恒星，聚集在被称为天蝎-半人马座星协的星团中，简称Sco-Cen。此外，分裂体-波浪交叉点和Sco-Cen恰好位于本星气泡的中心，因此可以说是气泡的起源。“但这仍然不确定，”阿尔维斯说。“只是[交叉点]是气体形成Sco-Cen的来源，这很有道理。”
如果恒星讲述的故事是星系自我组装的历史，而气体讲述的故事是星系恒星形成的周期，那么恒星和气体结合起来应该显示星系的过去和现在，一部揭示本杰明所说的“不断演变的失衡”的电影。
这就是目前的大象：130亿年前，在一个当时还不到10亿年的宇宙中，银河系诞生为一个无定形的气体和尘埃云，形成了贫金属恒星，并且不连贯地旋转，因此其恒星的轨道也很随意。在最初的十亿年左右，较小的云和矮星系撞击了幼年银河系，将外来和原生恒星喷射到光环中。传入的碰撞器携带的气体也在银河系中引发了更多的恒星形成。
到大约125亿年前，星系的旋转变得更加连贯；一到二十亿年后，它已经旋转成一个圆盘，其中恒星的轨道整齐地呈圆形。恒星现在以缓慢的慢炖方式形成，迅速燃烧完它们的生命，并以爆炸的方式死亡，从而丰富了气体，从中诞生了下一代金属含量越来越高的恒星。
大约一百亿年前，恩克拉多斯星系与银河系相撞，并在接下来的20亿年中溶解到其中。盖亚-恩克拉多斯香肠接管了光环，加速了银河系厚圆盘中的恒星，并注入了气体，这些气体与银河系的气体结合，增加了恒星的形成。在接下来的20亿年中，在厚圆盘内部，气体和恒星逐渐沉淀到更稠密的薄圆盘中，并聚集形成旋臂。
大约在60亿年前开始，一个名为人马座的矮星系侧向撞击了银河系，并围绕它旋转。此后每隔数亿年，它又会擦过银河系，每次都“泄漏出一条轨迹上的恒星，”贝洛库罗夫说，形成了弯曲穿过银河系光环的星流，环绕它两次。在接下来的大约50亿年中，其他传入的物体也做了同样的事情，直到整个银河系都被星流包围。到那时，在浓缩的薄圆盘的旋臂中，气体聚集成长条状的丝状物——骨骼、波浪、分裂体、细丝——沿着这些丝状物，恒星在星团中亮起。
靠近太阳，大约从1500万年前开始，天蝎-半人马座星协中的大质量恒星形成，度过了它们短暂的生命并爆炸，产生了本星气泡，在其稠密的表面上形成了更多的恒星。现在构成天蝎-半人马座星协的37个星团大约每五百万年就会爆发一次，开辟出更多的气泡，这些气泡具有更稠密的表面，形成更多的恒星，确保银河系邻域充满了新的火花。丝状云无法在恒星诞生的辐射洪流中幸存下来，并且在500万到2000万年后，它们“剪切开”回到银河系中，本杰明说。那里的气体最终会冷却下来，并在重力和旋转的影响下，重新凝结成丝状物，然后再次凝结成恒星。
在地球上，也许在4000年前，一个出生在美索不达米亚的婴儿长大后，会知道星星和星座的名字，就好像它们是家人或神祇一样，将它们写在石头上，并用它们来种植庄稼、测量时间和预测生活。自从马尔杜克神设立星座以来，我们已经重新命名了星座：天堂之牛是我们的金牛座；蝎子是我们的天蝎座；帕比尔萨格是人马座；而真正的天堂牧羊人现在被称为猎户座。但我们仍然使用星座来定位自己在银河系中的位置，我们用地球上的类似物来命名它的地方、它的云和星流。
借助新的巡天观测图，我们可以看到星座如何随着时间推移而扭曲和移动，以及星系如何已经并将继续变化。“我们可以向前和向后运行电影，”本杰明说。“我们可以肯定地做到这一点。”
气体和恒星图在太阳附近是完整的，但在更远的地方变得模糊。到2023年，天文学家仍然只绘制了银河系1000亿颗恒星中的大约20亿颗。“如果太阳是我的鼻子，我们仍然，就像，在这里，”哈佛-史密森天体物理学中心的艾丽莎·古德曼说，她的手触摸着她脸的两侧。“而星系的尺度，就像，远远超出了我的手臂的末端。所以我们只是想得到，就像，这里，这里，这里。”每“这里”一次，她都会将手向外移动得更远，直到她的手臂完全张开，用她的身体测量银河系的尺度，像任何美索不达米亚婴儿一样将星系视为私人的。