银河系以每秒500米的速度不断增长 让科学家感到惊讶

天文物理

关注看更多天文物理

群星璀璨、万物有理

星系随着时间推移而增长并不是什么大秘密，引力的力量足以把几百万光年外小星系、气体云和星团拉拢变成更大的星系。我们的银河系在其一生（120亿年）中吞噬了数百个较小的星系，并且还在不断吸引周围的矮卫星系等。但星系演化发展有一个更微妙、更稳定的方式：内部气体中不断有新恒星出现。

根据一项新的研究表明，银河系直径大约有10万光年，但随着时间推移，它可能会慢慢地增长。图片版权：R. Crain (LJMU) and J. Geach (U. Herts）

虽然大多数恒星都是在像银河系这样的螺旋星系平面或中心凸起中形成，但一项新的研究表明，随着时间推移星系会向外扩展，这也就意味着恒星的物理范围在空间上增加了，也就是银河系正在以每秒500米的速度增长：每60万年就会增长一光年。

一幅银河系和周围天空的天体图清晰地显示出银河系的恒星密度和大小麦哲伦星系（我们星系中最大的两个星系）。如果你自仔细看，杜鹃座47位于小麦哲伦星系的左边，武仙座星团略高于星系核心，M15略低于星系核心。银河系的整个范围很难在银河系银道面内确定。 图片版权：ESA/GAIA

当星系形成恒星时可以通过一些触发特征进行识别：

1、巨大的冷气体云缓慢坍塌

2、附近的超新星，推动附近气体云密度到更高

3、与附近的物质发生引力作用

相互作用的星系通常有较高恒星形成率，而与银河系类似的独立星系则是异常平静。

漩涡星系(M51)旋臂是粉红色的，因为有大量即将成型的恒星在旋臂上出现。在特殊情况下，邻近星系与漩涡星系引力作用促进了恒星的形成。所有富含气体螺旋都在某种程度上呈现出新星诞生的态势。图片版权：NASA, ESA, S. Beckwith (STScI), and The Hubble Heritage Team STScI / AURA)

然而银河系还有新的恒星诞生，尽管银河系大约每年会创造出一个与太阳质量相差无几的恒星，但它们大多出现在银道面的密集云层中，或者是银河系中心突起的小区域。物理范围内在扩大的银河系外围似乎并没有太多恒星形成区。银河系边缘附近的小区域内也会有新恒星诞生，但由于新恒星的密度很低，所以在很大程度上是被忽视的。很长一段时间内，人们都坚定不移地相信一个假设：星系的半径不会增长，除非有新的物质进入星系。但是一个新方法出现让人们开始质疑陈旧的思维方式，这意味着银河系螺旋随着时间的推移正在不断地增长

我们长期认为如果没有新物质不断落入螺旋形星系，那么星系的大小和范围会始终保持不变。然而如果新恒星在边缘区域诞生，那么发生在那里的物理现象会导致恒星在超出原有恒星范围内的轨道上运行，随着时间推移，星系的半径就会增大。图片版权：NASA, ESA and W. Harris - McMaster University, Ontario, Canada

对“静态银河系”构想的质疑研究来自于加那利群岛天体物理研究所 Cristina Martínez-Lombilla，Ignacio Trujillo Cabrera以及Johan H. Knapen。在银河系平面内，测量几千光年之外微弱物体是很困难的。相反研究小组对已经总结出与银河系相似的螺旋星系进行研究，并特意研究了这些星系的边缘。

距离3000万光年远的NGC 4565被称为“针状星系”，也是一个螺旋星系。在这个新研究中，是重点研究对象之一。图片版权：Ken Crawford

研究人员用三种不同波长的光来测量追踪在星系边缘发现的恒星颜色和运动过程，这三种光分别是可见光（SDSS）、紫外线（含GALEX）、和红外线（斯皮策）。如果能将来自新恒星的光线估算出来，不仅可以推断出新恒星的径向运动（靠近或远离），而且还可以推断出它的垂直运动：在星系圆盘内上下运动。这种运动可以帮助研究人员推断出恒星离开诞生地所需要的时间，进而了解恒星所在星系增长有多快。

像这样螺旋星系边缘恒星的垂直运动能够让我们推断出星系半径增长率。令人惊讶的是，这些恒星甚至能在没有引力增长的情况下成长。图片版权：C. M. Lombilla / IAC

这就是银河系的位置：通过测量银河系边缘附近恒星形成区域，能推算出星系的增长速度，银河系已经很大了，但研究表明至少银河系的可见部分正在缓慢地增大；虽然增长速度不是很快，但如果在30亿年后再看银河系，那它可比现在大了5%。由此可以看出银河系正以每秒500米的速度向外扩张：大约每7小时扩张的距离与地球的实际尺寸相近。每60万年银河系就会增大一光年。

NGC 5907是一个5000万光年外的旋涡星系，被在美国莱蒙山亚利桑那州被一个24英寸的望远镜捕捉到。这个星系也在研究项目之内，进一步的研究对确定螺旋星系如何增长有所帮助。图片版权：J. Schulmann

尽管在螺旋星系中形成的绝大多数恒星都是在银河系（本星系）中诞生，但其中很小一部分是在银道面诞生的。许许多多新恒星将分布在不同的地方，其中一些恒星离银河系中心的距离比其他任何新恒星离银河系中心的距离都要远。这些微乎其微的影响可以忽略，只要星系内部继续有新的气体形成，也就会有新的恒星出现。对于像银河系这样的独立星系来说，这种缓慢的增长将持续40多亿年，而后将会突然被另一种结果代替支配：与仙女座合并。

此图是模拟银河系和仙女座星系合并时的景象。当这种大规模的合并发生时，可能会喷溅出大量的碎片，进而创造出一个由正常物质主宰的卫星星系。 图片版权：NASA, ESA, Z. Levay, R. van der Marel, T. Hallas, and A. Mellinger

在那时，银河系和他姐妹星系的明亮程度将比现在大7%左右，而且合并肯定会用戏剧化的方式改变太阳的大小和位置分布。然而其他星系几乎完全处于孤立状态，最极端的例子就是MCG+01-02-015，在其方圆一亿光年内没有任何一个星系存在，据我们所知，它是宇宙中最孤独的星系。

MCG + 01-02-015星系目前被认为是宇宙中最孤独的星系，在其方圆一亿光年内没有任何一个星系存在。图片版权：ESA/Hubble & NASA and N. Gorin (STScI); Acknowledgement: Judy Schmidt

多亏了这一新研究的分析使我们知道，即使离开一个被孤立的星系，它还是会继续生长。虽然大部分的增长会发生在内部，但边缘也会因为新恒星的诞生而有所增加。随着时间的推移，宇宙的年龄是现在的三倍时，像银河系一样的独立星系的直径将是今天的两倍。即使没有任何物质落入星系中，只要星系内部有足够的气体来缓慢地、稳定地产生恒星，星系就会继续生长。新恒星的出现可能与膨胀的宇宙无关，但不知何故即使它们之间的距离增加了也会让人心安，可能是星系本身也会自行膨胀吧。

博科园-科学科普｜文 / Ethan Siegel / Forbes Science / S.W.A.B

其它内容请（微信公众号：天文物理）回复：更多

即可获得你不曾看过的精彩内容

于本文末留言评论、建议、发表观点等

安卓+iOS App：博科园

点击原文阅读进入看博科园-科学圈邀请函