重建外星天文學家對我們銀河係化學的看法

藝術家對銀河係的印象，從外麵看。這裏描述的研究更進了一步，展示了如果河外天文學家從遠處研究我們的銀河係會得到什麽結果。信用:斯特凡·佩恩-沃德納爾
（神秘的地球uux.cn）據馬克斯·普朗克學會：研究人員重建了外星天文學家從遠處觀察我們的銀河係時，如果他們分析我們的銀河係的化學成分會發現什麽。這項研究由馬克斯·普朗克天文研究所的研究人員領導，與我們對宇宙的理解有關:它允許我們在我們的家園星係和我們從外麵觀察的許多遙遠的星係之間進行一種新的比較。這些結果為我們的家園星係是否特殊這個老問題提供了部分答案:至少在化學成分方麵，銀河係是不尋常的，但不是唯一的。
我們從外麵看到遙遠的星係:望遠鏡觀測向我們展示了星係的形狀和光譜(星係光線的彩虹般分解)。那麽，對於一個遙遠的外星天文學家來說，從這個角度來看，我們的銀河係會是什麽樣子呢？這是一個看似簡單的問題。畢竟，地球上的天文學家已經設計出相當巧妙的方法，從我們的觀察中推斷出一個星係的屬性，而外星天文學家也可能對銀河係有類似的複雜看法。
對於更複雜的分析方法，很難說外星天文學家會發現什麽，如果他們把這些方法應用到我們的銀河係。但是回報可能是可觀的。這項研究的第一作者、雲南大學馬克斯·普朗克天文研究所的連建輝(音譯)說:“如果我們想知道銀河係是否特殊，我們需要找到將我們的家庭星係與更遙遠的星係進行比較的方法。自從一百年前天文學家意識到銀河係不是宇宙中唯一的星係以來，這一直是一個懸而未決的問題。”
數據和模擬的巨大進步
盡管這個問題可能很古老，但看起來天文學現在很有可能找到一個可靠的答案。首先，在過去十年左右的時間裏，對我們銀河係的係統研究已經取得了巨大的進展。已經有一些調查，例如APOGEE，提供了我們銀河係中數百萬顆恒星的化學成分、物理性質和三維運動的信息，這些信息是從它們的光譜中推斷出來的。歐空局的蓋亞飛船已經追蹤了我們銀河係中近15億顆恒星的亮度、運動和距離。
對於遙遠的星係也有更多更好的數據。漫畫調查深入研究了近10，000個星係。以前針對這麽多星係的調查隻能提供每個星係的一個整體光譜，漫畫描繪了一幅“光譜圖”，顯示了，比如說，每個星係的化學成分從中心到外圍區域是如何變化的。
最後但同樣重要的是，現在有了星係形成和演化的現代模擬，如TNG50模擬，它跟蹤了一個模型宇宙中從大爆炸後到現在的數千個星係的曆史。所有這些發展對我們預測外星天文學家將會看到什麽是必要的，因為他們將望遠鏡對準銀河係並試圖重建銀河係的化學成分。
猜測外星天文學家
這正是由連和瑪麗亞·伯格曼(馬克斯·普朗克天文研究所)領導的一項新研究所做的。具體來說，連，伯格曼和他們的同事考慮了恒星的化學成分。我們周圍看到的恒星主要由氫和氦組成，但也有少量比氦重的元素——這些元素在天文學中(但不是在普通化學中！)被稱為“金屬”。
這些金屬中的一些是在恒星內部產生的，當大質量恒星在其壽命結束時爆炸時被拋入太空。其他的產生於膨脹巨星的外層，並從那裏漂移到太空。最重要的是，有一個總的趨勢:星際介質——填充恒星之間空間的氣體和塵埃的低密度混合物——中的金屬濃度隨著時間的推移而增加。較早誕生的恒星含有較少的金屬，較晚誕生的恒星含有較多的金屬。繪製出星係中哪些區域的恒星金屬含量較少或較多，可以告訴你哪個區域的恒星形成較早，哪個區域形成較晚。
從本地宇宙學到外星人視角
我們的家園銀河係是目前唯一一個我們可以直接對單個恒星進行大規模調查的螺旋星係——測量它們在我們星係中的位置，並通過它們的光譜，它們的金屬含量，表麵溫度和其他物理屬性。Lian，Bergemann和他們的同事開始重建外星天文學家在繪製銀河係金屬含量地圖時會看到的景象。由於我們的家庭星係是一個盤狀星係，關鍵問題是:一個遙遠的外星天文學家如何看待金屬豐度隨著離我們星係中心的距離而變化？
這種重建需要努力。遠地點調查的數據隻是一個起點。接下來，研究人員需要考慮這樣一個事實，即從地球上看，我們對銀河係的看法是“模糊的”:在某些方向上，我們和更遙遠的恒星之間會有更多的塵埃，削弱了恒星的光線，並完全隱藏了一些最暗的恒星。在其他方向會有更少的灰塵。研究人員需要將觀測數據與我們對塵埃和恒星屬性的了解結合起來，以重建我們銀河係中恒星的真實分布。
我們星係的高金屬含量“帶”
結果有些令人驚訝。如果你從星係中心向外追蹤恒星的平均金屬含量，它會增加，在距離中心大約23000光年的地方達到接近我們太陽的金屬含量。(作為比較:我們的太陽距離銀河係中心大約26000光年。)在更遠的距離，平均金屬含量再次下降，在距離中心約50，000光年處下降到太陽值的大約三分之一。
為了了解發生了什麽，研究人員隨後分別觀察了不同年齡組的恒星——遠地點光譜至少可以粗略估計恒星的年齡。分別觀察年輕和年老的恒星，他們發現每個年齡組基本上都遵循一個連續的趨勢，靠近中心的金屬含量較高，遠離中心的金屬含量較低。總體分布的增加和最大值純粹是由於較老的恒星(金屬含量低得多)在銀河係中心附近更豐富，因此拉低了總體平均值，但較年輕的恒星在更遠處變得更頻繁。
將我們的銀河係與其他星係進行比較
連，伯格曼和他們的同事將這一有趣的結果與其他星係的性質進行了比較。一方麵，他們在漫畫調查中考慮了321個星係，所有這些星係的質量與銀河係相似，產生的恒星數量相似，並且所有這些星係都是正麵可見的，因此平均金屬度的變化可以被測量。另一方麵，研究人員使用相同的標準在TNG50模擬的模型宇宙中識別了134個類似銀河係的星係。
那麽，我們的銀河係到底有多特別——或者沒有？本研究提供的答案是:就金屬豐度的分布而言，我們的銀河係是不尋常的，但不是唯一的。TNG50樣本中隻有11%的星係和漫畫樣本中約1%的星係顯示出類似的平均金屬豐度上下波動。11%和1%之間的差異可能是由於漫畫數據中的不確定性和TNG50模型宇宙中現實模擬的局限性的結合。
此外，在外部區域，與漫畫和TNG50星係相比，銀河係的平均金屬含量隨著距中心距離的增加而下降的幅度更大。
“為什麽”的問題
那麽為什麽銀河係會有它所具有的不尋常的性質，這些性質對於我們的家庭星係的形成曆史意味著什麽呢？有幾種方法可以解釋銀河係中心附近富含金屬的恒星相對稀少的原因。這一特征可能與所謂的凸起(bulge)的形成有關，這是一個圍繞銀河係中心的較老恒星的大致球形區域，距離約5000光年。膨脹的形成會耗盡大部分可用的氫氣，使得後來的恒星形成更加困難。或者，這種稀缺可能與一個活躍階段有關，在這個階段，我們星係的中心超大質量黑洞從其近鄰噴出粒子和輻射，抑製恒星的形成。
外部區域的金屬含量可以用幾種方案來解釋，這些方案結合了我們銀河係內部氣體的演化和銀河係盤麵上恒星形成的曆史。這種急劇下降可能是我們銀河係曆史上一個不尋常事件的跡象——比如說，我們的家庭星係用幾乎不含金屬的氣體“吞噬”了一個較小的星係。這種氣體後來會成為形成盤中金屬含量較少的恒星的原料。也有可能我們對銀河係恒星盤範圍的估計是錯誤的，當談到減少的幅度時，這種誤差扭曲了與其他星係的比較。
觀點
瑪麗亞·伯格曼說:“這些發現非常令人興奮！這是我們第一次能夠有意義地將我們星係的詳細化學成分與許多其他星係的測量結果進行比較。這些結果對於下一代星係形成的全麵研究非常重要。這些研究將使用來自即將到來的針對銀河係或針對遙遠星係的大規模觀測項目的數據。我們的研究展示了如何明智地結合這兩種數據集。”
總而言之，這裏描述的研究提出了許多有趣的問題。通過新的調查和探索“外星天文學家”視角的新研究，我們可以希望找到答案，並在這個過程中更好地了解我們家鄉星係的曆史。