宇宙的起源及未来的命运

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拼制的银河系全景图




仰望星空，就能看到一条白色的光带划过夜空，罗马人称之为via lacteal——牛奶路。早在上世纪20年代，天文学家就知道这条光带是银河系的视野边界，而我们正生活在其中。银河系就像一个巨大的风车，其中包含了大量星云、气云和数以十亿亿计的恒星。人们曾经以为，银河系及其他类似星系都很安静：在无数世代之前形成了沉重而缓慢地旋转结构，并平平稳稳地步入了中年期。

但很快，人们就开始用新的眼光重新审视银河系。上世纪70年代和80年代初，新一代地面和空间望远镜开始绘制银河系图，波长涵盖从微波到X射线范围，揭示了其蕴含的无比丰富的内容。到本世纪，许多系统计划追踪观察了大部分天空的星系结构。这些星系极其巨大，之前还没有人注意过它们。近10年来，许多天文小组竞相建造强大的计算机，从宇宙到恒星群各级尺度模拟星系起源的模型。今年，智利的阿塔卡玛大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）将以前所未有的精细水平来绘制星系图。

天文学家还在努力消化所有这些新的信息。尽管还存在一些分歧、不确定和未解的问题，但至今已无人能说，我们的宇宙是一潭死水。最新的银河系图显示，它是生于混沌成于风暴，目前仍处在一个汹涌骚乱的复杂状态中，它未来的命运注定是场灾难。


暗物质晕

银河系出生过程中事件发生的确切顺序至今仍有争议，但天文学家们都同意，故事是从暗物质开始。

暗物质遍布各处，人们看不见它们，至今也不知道它们究竟是什么，但它的质量要超过普通物质——恒星、气体及其他由原子构成的物质——大约5倍，人们只能通过它们施加于可见恒星和星系的万有引力来推断暗物质的存在。天文学家从上个世纪70年代就知道了银河系，就像其他星系一样，是个包裹着暗物质的巨大的茧；若没有其中心的暗物质，普通物质产生的万有引力不足以将星系凝聚在一起。

大约137亿年前的大爆炸后，万有引力在暗物质中造成了微小的不规则，这种不规则逐渐积累，在各个尺度形成了越来越稠密的团块。模拟显示，这种凝聚过程不断持续，变成了混乱的碰撞与合并。但在大爆炸后的10亿年内，情况还略为安定，某些暗物质团块看起来更像是围绕着银河系：一个大致的球形晕，跨越几百千秒差距（kiloparsecs，1千秒差距约3260光年）之遥，质量是太阳的1012倍，还有许多较小的次级晕，最小的质量只有地球那么大。

在这些暗物质晕内部，是稀薄的原始氢气和氦气的烟雾，被暗物质的万有引力拉扯着。又过了几亿年后，这些气体冷却下来，开始凝聚成恒星，成为创造银河系的原材料。但要模拟这一过程非常困难。加利福尼亚大学圣克鲁兹分校天文学家佩罗·马多说，暗物质只能解答万有引力的问题，而我们了解万有引力。要把普通物质组装成现在的星系结构的样子，还涉及到碰撞、耗散、冷却、加热和爆炸诸多过程。“这是非常复杂的。”

矮星系

难题之一就是那些次级的暗物质亚晕。虽然超过了一定质量，但却无法确定它们究竟有多大。它们要能把足够多的气体拉在一起形成恒星，变成矮星系。矮星系是一种由恒星和气体组成的不规则的整体，质量大约只有现在银河系的1%。如果情况确实如此，应该有数千个矮星系围绕银河系在旋转。而迄今为止，人们能观察到的矮星系只有24个。

这和理论存在很大差异。一个解释是，事实上真有更多的矮星系，但它们含有大量暗物质，光芒极微弱接近不发光，所以几乎看不到它们。比如Segue 1矮星系，是宇宙中最暗淡的星系，其所含暗物质是发光物质的上千倍。“我们非常希望能发现那些几乎不发光的矮星系。”加利福尼亚大学圣克鲁兹分校天文学家康妮·洛克希说，“这些矮星系能告诉我们一个临界质量，低于临界质量的暗物质亚晕不能形成恒星和主星系。”

另一个可能的解释是，某些亚晕太小而无法形成恒星，也就变得完全黑暗。要想找到这种暗物质的亚星系团，天文学家要在矮星系或恒星流附近发现它们的万有引力效应，而这至今未能令人信服地观察到。“我们渴望找到一个内部没有任何星系的暗物质亚晕。”洛克希说。
除此之外还有其他解释，比如确实形成了更多矮星系，但由于第一代恒星质量非常大、非常热而且发生了爆炸，吹走了所有气体和恒星，只剩下了那些质量最大的亚晕。


恒星晕

不管怎样，星系创生过程在飞快地进行着。气体和矮星系向内旋转，气体质量不断增加，恒星在暗物质晕的中心逐渐堆积，形成银河系的最初原型。俄亥俄州克利夫兰凯斯西储大学天文学家希瑟·莫里森说，这时矮星系到处运动，情况是一片混乱。不可避免地，它们中有一些由于靠得太近而无法继续凝聚，万有引力将它们从中分裂。

仅在目前银河系的外围区域，就布满了这种事件的残骸：明显的恒星流沿着原来矮星系的轨道环绕着银河系。这些恒星流很不容易发现，它们非常微弱，而且分布在广阔的天空。但研究小组已经发现了越来越多的这种恒星流，如人马座矮星系和它的恒星流，这表明确实有一个矮星系曾经分裂过。

这些恒星流穿过一个微弱的、弥散的恒星晕。这个恒星晕从银河系约100千秒差距的地方向四面八方扩展，形成一个大致的球体，总质量约为太阳质量的109倍。恒星晕的质量可能不超过矮星系混乱了几十亿年后所剩下的残骸质量，但它们的故事可能比矮星系还要复杂。
2007年，澳大利亚悉尼麦夸里大学丹妮拉·卡罗洛和美国亚利桑那州图森市基特峰国家天文台主管蒂莫希·比尔斯领导的一个研究小组，证明了一些早期的线索，恒星晕可分为内层和外层两个部分：处在外层的恒星，根据其光谱显示，一般只有微量的重元素，比如铁。这表明，这些恒星是从宇宙的第一代恒星中分离出来的唯一一代，而第一代恒星是在大爆炸后10亿年内形成的。如果没有其他因素，这也揭示了外层晕中重元素的位置分布，记录了早就消失了的第一代恒星是什么样子。

马里兰州太空望远镜科学研究所的詹森·卡利莱的研究表明，内层晕的恒星更年轻，所含的重元素也更多，它们大约有114亿岁。此外，外层晕的恒星平均运动与银河系的运动方向相反，而内层晕恒星的旋转与银河系方向一致。


银盘
这种运动方式表明，外层晕是从混乱的矮星系中形成，而内层晕是中心大漩涡的残余，早期银河系的雏形被压进了它现在的大风车中。

几十年前，人们就理解了这种撞击的动态过程：被万有引力拉过来的气体和矮星系不断碰撞，每次碰撞都会消耗一些轨道能量，使它们向内落入银河系深处。当它们接近中心时，最初一个很小的随机旋转就被放大，随着物质收缩而旋转得越来越快，慢慢地变得扁平而形成一个薄薄的银盘。

在银盘内部，万有引力相互作用产生了恒星轨道，气体星云也开始互相碰撞，堆积在一起，使天空中发生了交通堵塞：旋转的“密度波”形成了银河系的螺旋“手臂”（在某些星系中，旋臂也可能是振动波在星际气体中传播所致）。

然而在细节方面，还存在很多不确定性。加州大学欧文分校天文学家詹姆斯·巴洛克说，比如银盘的形成花了10亿年，还是100亿年？没人能肯定地回答。

造星运动

银河系以很快的速度不断地把气体变成恒星，每年都有许多像太阳那么大质量的恒星诞生。照这种速度发展下来，到现在它应该已经用完了所有能用的气体。但它仍在不断制造着恒星，这一过程已持续了至少100亿年。维持它造星的强大动力是什么？要想持续造星，它必须像一个复杂的“生态系统”那样，能够自身维持下去。在这个“生态系统”中，物质能够在恒星和星际气体之间来回循环。

大部分星际气体非常稀薄，可能每立方米只有几百个原子，只靠恒星发出的紫外线就能以热离子的形式在银盘中漂移。上个世纪70年代，天文学者发现，有时由于某些尚不完全清楚的原因，气体本身也能聚集成密集的云，这种云密度很大，恒星发出的光也无法穿透其内部，内部气体温度只有10到30开氏度，这让原子能够形成分子，如氢分子和一氧化碳分子，这时它们应该叫做“分子云”。但由于万有引力作用，分子云的密度也不稳定，一旦超过了临界密度，就会点燃核聚变反应而变成恒星。

这些云的恒星形成区也叫“恒星育儿所”，这里通常是混乱无序的：新生恒星以星风的形式猛烈地向外喷射着物质，并伴以大量的紫外线辐射。其中质量最大的也会很快死于超新星爆发；其他的扩张成红巨星并脱落掉最外层，最终结束生命。这些过程都会向更远的星系喷出气体，最终在那里变冷、凝聚，开始新一轮的循环。

“它必须能从某个地方获得气体。”澳大利亚国立大学的肯·弗里曼说。某个地方可能还有一个外部储藏库。人们通过X射线和极紫外波长望远镜观察到，有一团热气晕包围着银河系的恒星晕。这个气体储藏库还包围着其他星系，它的绝大部分是被电离的氢，大约在100万开氏度，从中心向外延伸几百千秒差距。它的密度很低，每立方米大约含有100个氢原子，但它的质量极大，至少相当于银河系中所有恒星的质量。“这正是一个巨大的储藏库！”弗里曼说，银河系造星运动用掉的物质只不过是其中的一小部分。

当热气晕变冷变稠密到一定程度，会落入银河系。“就像雾气中会凝结出水珠。”俄亥俄大学大卫·温伯格说，还可能产生人们观察到的高速云，落入银盘。反过来，这些云可能与“喷泉”有关（“喷泉”是恒星爆发成超新星时喷出的气体，能喷到银盘以外10千秒差距到100千秒差距远）。理论上，这些“喷泉”飞入气晕，吸收一些电离气体后再返回银盘，仍成为高速云。“我们看到一些物质出去，一些物质进来，但不能确定出去的物质和进来的物质是否一样。”温伯格说

银核与银闩

在银河系中心，距离地球约8千秒差距的地方，有一个膨胀鼓起的核球：最古老的恒星都聚集在这里，大约有100亿岁那么老，质量大约是1010个太阳那么大。还有一条像门闩似的直线，长约2千秒差距到4千秒差距，将核球一分为二，这里的恒星更年轻。这条银闩的起源还有争议，但其他螺旋星系中也都有类似的银闩。

核球内部是一个巨大的黑洞，精确地坐落在银河系正中心，质量约为400万个太阳。我们这个“本地”黑洞还算是很小的，大部分星系都有一个黑洞，一般能达到几十亿个太阳质量。我们这个黑洞目前也不活跃，也就是说没什么东西被它吞掉。

然而它也曾经活跃过。2010年，哈佛—史密松森天体物理学中心的道格拉斯·芬克贝纳发现了两个泡泡，分别位于核球两边，方向与银盘垂直。每个泡泡有7600秒差距长，黑洞发出的X射线界定了它们的轮廓，还有少量微弱的伽玛射线喷流从星系中心射入泡泡内部。这两个泡泡和喷流都是活跃黑洞的特征，当有物质落入黑洞时才会这样，发出能量喷流，并在周围气体中产生振动波。

在星系中心有一个活跃黑洞，这种情况相当普遍。这可能是所有星系都要经历的一个阶段。据芬克贝纳推测，银河系的黑洞大约在1000万年前曾经活跃过，在此之前可能还有过活跃期。“如果它没吞掉过什么东西的话，质量不可能达到400万个太阳那么大。”

未来命运

10多年前，天文学家通过观察就知道，离我们最近的大星系——仙女座中的螺旋星系M31，正向着银河系迎面奔来。但他们不知道未来的碰撞能否避免，因为当时还无法测量M31在天空中的运动斜度，即它的自行量。

今年5月，太空望远镜科学研究所的罗兰德·范德马莱尔与同事将仙女座在不同时间的位置和背景星系做了对比，并测量了它的自行量，精确到11微弧秒每年——这相当于从月球上观察人类指甲的生长。他们发现，仙女座和银河系目前间隔距离约为770千秒差距，正在以每秒109千米的速度向对方靠拢，大约60亿年后就会迎面撞在一起！然后，它们会彼此穿过，互相环绕运行，到70亿年后，这两个螺旋星系会合并在一起，形成一个椭圆形的星系。
椭圆星系也是星系的两种主要形状之一。相比于不断制造恒星、充满活力的螺旋星系，椭圆星系只是一大团没什么特色的气体和恒星。

而奇怪的是，好像只有一小部分星系能完成这种转变。整体上，它们要么充满活力，要么进入休眠。理论对此给出的解释是，两个大星系合并导致了造星运动大爆发，很快用光了所有可得的气体；也可能合并重新激活了星系中心的黑洞，造成高能震动和喷射，将气体驱赶出了星系，或使气体不断搅动激荡，变得非常热以至于无法形成恒星。美国约翰·霍普金斯大学的蒂姆·海克曼说，无论这样还是那样，都使“气体降落受阻，由此星系用光了所有能得到的气体”。

宇宙包含的气体总量是一定的，迟早银河系会把所有气体都转变成恒星。宇宙中的“恒星形成正在逐渐停止，而恒星死亡正在增加”，海克曼说，那些只有太阳质量1/10的小恒星，能静静地生存1万亿年，但最终，它们也会爆发而走向灭亡。