核心提示：最新的銀河系圖顯示，它是生于混沌成于風暴，目前仍處在一個洶涌騷亂的復雜狀態(tài)中，它未來的命運注定是場災難。
拼制的銀河系全景圖
利用最新太空望遠鏡數(shù)據(jù)，模擬顯示出從銀河系以外看到的銀河系圖像
仰望星空，就能看到一條白色的光帶劃過夜空，羅馬人稱之為via lacteal——牛奶路。早在上世紀20年代，天文學家就知道這條光帶是銀河系的視野邊界，而我們正生活在其中。銀河系就像一個巨大的風車，其中包含了大量星云、氣云和數(shù)以十億億計的恒星。人們曾經(jīng)以為，銀河系及其他類似星系都很安靜：在無數(shù)世代之前形成了沉重而緩慢地旋轉(zhuǎn)結構，并平平穩(wěn)穩(wěn)地步入了中年期。
但很快，人們就開始用新的眼光重新審視銀河系。上世紀70年代和80年代初，新一代地面和空間望遠鏡開始繪制銀河系圖，波長涵蓋從微波到X射線范圍，揭示了其蘊含的無比豐富的內(nèi)容。到本世紀，許多系統(tǒng)計劃追蹤觀察了大部分天空的星系結構。這些星系極其巨大，之前還沒有人注意過它們。近10年來，許多天文小組競相建造強大的計算機，從宇宙到恒星群各級尺度模擬星系起源的模型。今年，智利的阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米陣列（ALMA）將以前所未有的精細水平來繪制星系圖。
天文學家還在努力消化所有這些新的信息。盡管還存在一些分歧、不確定和未解的問題，但至今已無人能說，我們的宇宙是一潭死水。最新的銀河系圖顯示，它是生于混沌成于風暴，目前仍處在一個洶涌騷亂的復雜狀態(tài)中，它未來的命運注定是場災難。
暗物質(zhì)暈
銀河系出生過程中事件發(fā)生的確切順序至今仍有爭議，但天文學家們都同意，故事是從暗物質(zhì)開始。
暗物質(zhì)遍布各處，人們看不見它們，至今也不知道它們究竟是什么，但它的質(zhì)量要超過普通物質(zhì)——恒星、氣體及其他由原子構成的物質(zhì)——大約5倍，人們只能通過它們施加于可見恒星和星系的萬有引力來推斷暗物質(zhì)的存在。天文學家從上個世紀70年代就知道了銀河系，就像其他星系一樣，是個包裹著暗物質(zhì)的巨大的繭；若沒有其中心的暗物質(zhì)，普通物質(zhì)產(chǎn)生的萬有引力不足以將星系凝聚在一起。
大約137億年前的大爆炸后，萬有引力在暗物質(zhì)中造成了微小的不規(guī)則，這種不規(guī)則逐漸積累，在各個尺度形成了越來越稠密的團塊。模擬顯示，這種凝聚過程不斷持續(xù)，變成了混亂的碰撞與合并。但在大爆炸后的10億年內(nèi)，情況還略為安定，某些暗物質(zhì)團塊看起來更像是圍繞著銀河系：一個大致的球形暈，跨越幾百千秒差距（kiloparsecs，1千秒差距約3260光年）之遙，質(zhì)量是太陽的1012倍，還有許多較小的次級暈，最小的質(zhì)量只有地球那么大。
在這些暗物質(zhì)暈內(nèi)部，是稀薄的原始氫氣和氦氣的煙霧，被暗物質(zhì)的萬有引力拉扯著。又過了幾億年后，這些氣體冷卻下來，開始凝聚成恒星，成為創(chuàng)造銀河系的原材料。但要模擬這一過程非常困難。加利福尼亞大學圣克魯茲分校天文學家佩羅·馬多說，暗物質(zhì)只能解答萬有引力的問題，而我們了解萬有引力。要把普通物質(zhì)組裝成現(xiàn)在的星系結構的樣子，還涉及到碰撞、耗散、冷卻、加熱和爆炸諸多過程?！斑@是非常復雜的?！?/p>
矮星系
難題之一就是那些次級的暗物質(zhì)亞暈。雖然超過了一定質(zhì)量，但卻無法確定它們究竟有多大。它們要能把足夠多的氣體拉在一起形成恒星，變成矮星系。矮星系是一種由恒星和氣體組成的不規(guī)則的整體，質(zhì)量大約只有現(xiàn)在銀河系的1%。如果情況確實如此，應該有數(shù)千個矮星系圍繞銀河系在旋轉(zhuǎn)。而迄今為止，人們能觀察到的矮星系只有24個。
這和理論存在很大差異。一個解釋是，事實上真有更多的矮星系，但它們含有大量暗物質(zhì)，光芒極微弱接近不發(fā)光，所以幾乎看不到它們。比如Segue 1矮星系，是宇宙中最暗淡的星系，其所含暗物質(zhì)是發(fā)光物質(zhì)的上千倍。“我們非常希望能發(fā)現(xiàn)那些幾乎不發(fā)光的矮星系。”加利福尼亞大學圣克魯茲分校天文學家康妮·洛克希說，“這些矮星系能告訴我們一個臨界質(zhì)量，低于臨界質(zhì)量的暗物質(zhì)亞暈不能形成恒星和主星系?！?/p>
另一個可能的解釋是，某些亞暈太小而無法形成恒星，也就變得完全黑暗。要想找到這種暗物質(zhì)的亞星系團，天文學家要在矮星系或恒星流附近發(fā)現(xiàn)它們的萬有引力效應，而這至今未能令人信服地觀察到。“我們渴望找到一個內(nèi)部沒有任何星系的暗物質(zhì)亞暈?！甭蹇讼Ｕf。
除此之外還有其他解釋，比如確實形成了更多矮星系，但由于第一代恒星質(zhì)量非常大、非常熱而且發(fā)生了爆炸，吹走了所有氣體和恒星，只剩下了那些質(zhì)量最大的亞暈。
恒星暈
不管怎樣，星系創(chuàng)生過程在飛快地進行著。氣體和矮星系向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，氣體質(zhì)量不斷增加，恒星在暗物質(zhì)暈的中心逐漸堆積，形成銀河系的最初原型。俄亥俄州克利夫蘭凱斯西儲大學天文學家希瑟·莫里森說，這時矮星系到處運動，情況是一片混亂。不可避免地，它們中有一些由于靠得太近而無法繼續(xù)凝聚，萬有引力將它們從中分裂。
僅在目前銀河系的外圍區(qū)域，就布滿了這種事件的殘?。好黠@的恒星流沿著原來矮星系的軌道環(huán)繞著銀河系。這些恒星流很不容易發(fā)現(xiàn)，它們非常微弱，而且分布在廣闊的天空。但研究小組已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了越來越多的這種恒星流，如人馬座矮星系和它的恒星流，這表明確實有一個矮星系曾經(jīng)分裂過。
這些恒星流穿過一個微弱的、彌散的恒星暈。這個恒星暈從銀河系約100千秒差距的地方向四面八方擴展，形成一個大致的球體，總質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的109倍。恒星暈的質(zhì)量可能不超過矮星系混亂了幾十億年后所剩下的殘骸質(zhì)量，但它們的故事可能比矮星系還要復雜。
2007年，澳大利亞悉尼麥夸里大學丹妮拉·卡羅洛和美國亞利桑那州圖森市基特峰國家天文臺主管蒂莫?！け葼査诡I導的一個研究小組，證明了一些早期的線索，恒星暈可分為內(nèi)層和外層兩個部分：處在外層的恒星，根據(jù)其光譜顯示，一般只有微量的重元素，比如鐵。這表明，這些恒星是從宇宙的第一代恒星中分離出來的唯一一代，而第一代恒星是在大爆炸后10億年內(nèi)形成的。如果沒有其他因素，這也揭示了外層暈中重元素的位置分布，記錄了早就消失了的第一代恒星是什么樣子。
銀盤
這種運動方式表明，外層暈是從混亂的矮星系中形成，而內(nèi)層暈是中心大漩渦的殘余，早期銀河系的雛形被壓進了它現(xiàn)在的大風車中。
幾十年前，人們就理解了這種撞擊的動態(tài)過程：被萬有引力拉過來的氣體和矮星系不斷碰撞，每次碰撞都會消耗一些軌道能量，使它們向內(nèi)落入銀河系深處。當它們接近中心時，最初一個很小的隨機旋轉(zhuǎn)就被放大，隨著物質(zhì)收縮而旋轉(zhuǎn)得越來越快，慢慢地變得扁平而形成一個薄薄的銀盤。
在銀盤內(nèi)部，萬有引力相互作用產(chǎn)生了恒星軌道，氣體星云也開始互相碰撞，堆積在一起，使天空中發(fā)生了交通堵塞：旋轉(zhuǎn)的“密度波”形成了銀河系的螺旋“手臂”（在某些星系中，旋臂也可能是振動波在星際氣體中傳播所致）。
然而在細節(jié)方面，還存在很多不確定性。加州大學歐文分校天文學家詹姆斯·巴洛克說，比如銀盤的形成花了10億年，還是100億年？沒人能肯定地回答。
造星運動
銀河系以很快的速度不斷地把氣體變成恒星，每年都有許多像太陽那么大質(zhì)量的恒星誕生。照這種速度發(fā)展下來，到現(xiàn)在它應該已經(jīng)用完了所有能用的氣體。但它仍在不斷制造著恒星，這一過程已持續(xù)了至少100億年。維持它造星的強大動力是什么？要想持續(xù)造星，它必須像一個復雜的“生態(tài)系統(tǒng)”那樣，能夠自身維持下去。在這個“生態(tài)系統(tǒng)”中，物質(zhì)能夠在恒星和星際氣體之間來回循環(huán)。
大部分星際氣體非常稀薄，可能每立方米只有幾百個原子，只靠恒星發(fā)出的紫外線就能以熱離子的形式在銀盤中漂移。上個世紀70年代，天文學者發(fā)現(xiàn)，有時由于某些尚不完全清楚的原因，氣體本身也能聚集成密集的云，這種云密度很大，恒星發(fā)出的光也無法穿透其內(nèi)部，內(nèi)部氣體溫度只有10到30開氏度，這讓原子能夠形成分子，如氫分子和一氧化碳分子，這時它們應該叫做“分子云”。但由于萬有引力作用，分子云的密度也不穩(wěn)定，一旦超過了臨界密度，就會點燃核聚變反應而變成恒星。
這些云的恒星形成區(qū)也叫“恒星育兒所”，這里通常是混亂無序的：新生恒星以星風的形式猛烈地向外噴射著物質(zhì)，并伴以大量的紫外線輻射。其中質(zhì)量最大的也會很快死于超新星爆發(fā)；其他的擴張成紅巨星并脫落掉最外層，最終結束生命。這些過程都會向更遠的星系噴出氣體，最終在那里變冷、凝聚，開始新一輪的循環(huán)。
“它必須能從某個地方獲得氣體?！卑拇罄麃唶⒋髮W的肯·弗里曼說。某個地方可能還有一個外部儲藏庫。人們通過X射線和極紫外波長望遠鏡觀察到，有一團熱氣暈包圍著銀河系的恒星暈。這個氣體儲藏庫還包圍著其他星系，它的絕大部分是被電離的氫，大約在100萬開氏度，從中心向外延伸幾百千秒差距。它的密度很低，每立方米大約含有100個氫原子，但它的質(zhì)量極大，至少相當于銀河系中所有恒星的質(zhì)量?！斑@正是一個巨大的儲藏庫！”弗里曼說，銀河系造星運動用掉的物質(zhì)只不過是其中的一小部分。
當熱氣暈變冷變稠密到一定程度，會落入銀河系?！熬拖耢F氣中會凝結出水珠?！倍砗ザ泶髮W大衛(wèi)·溫伯格說，還可能產(chǎn)生人們觀察到的高速云，落入銀盤。反過來，這些云可能與“噴泉”有關（“噴泉”是恒星爆發(fā)成超新星時噴出的氣體，能噴到銀盤以外10千秒差距到100千秒差距遠）。理論上，這些“噴泉”飛入氣暈，吸收一些電離氣體后再返回銀盤，仍成為高速云。“我們看到一些物質(zhì)出去，一些物質(zhì)進來，但不能確定出去的物質(zhì)和進來的物質(zhì)是否一樣?！睖夭裾f。
銀核與銀閂
在銀河系中心，距離地球約8千秒差距的地方，有一個膨脹鼓起的核球：最古老的恒星都聚集在這里，大約有100億歲那么老，質(zhì)量大約是1010個太陽那么大。還有一條像門閂似的直線，長約2千秒差距到4千秒差距，將核球一分為二，這里的恒星更年輕。這條銀閂的起源還有爭議，但其他螺旋星系中也都有類似的銀閂。
核球內(nèi)部是一個巨大的黑洞，精確地坐落在銀河系正中心，質(zhì)量約為400萬個太陽。我們這個“本地”黑洞還算是很小的，大部分星系都有一個黑洞，一般能達到幾十億個太陽質(zhì)量。我們這個黑洞目前也不活躍，也就是說沒什么東西被它吞掉。
然而它也曾經(jīng)活躍過。2010年，哈佛—史密松森天體物理學中心的道格拉斯·芬克貝納發(fā)現(xiàn)了兩個泡泡，分別位于核球兩邊，方向與銀盤垂直。每個泡泡有7600秒差距長，黑洞發(fā)出的X射線界定了它們的輪廓，還有少量微弱的伽瑪射線噴流從星系中心射入泡泡內(nèi)部。這兩個泡泡和噴流都是活躍黑洞的特征，當有物質(zhì)落入黑洞時才會這樣，發(fā)出能量噴流，并在周圍氣體中產(chǎn)生振動波。
在星系中心有一個活躍黑洞，這種情況相當普遍。這可能是所有星系都要經(jīng)歷的一個階段。據(jù)芬克貝納推測，銀河系的黑洞大約在1000萬年前曾經(jīng)活躍過，在此之前可能還有過活躍期?！叭绻鼪]吞掉過什么東西的話，質(zhì)量不可能達到400萬個太陽那么大?！?/p>
未來命運
10多年前，天文學家通過觀察就知道，離我們最近的大星系——仙女座中的螺旋星系M31，正向著銀河系迎面奔來。但他們不知道未來的碰撞能否避免，因為當時還無法測量M31在天空中的運動斜度，即它的自行量。
今年5月，太空望遠鏡科學研究所的羅蘭德·范德馬萊爾與同事將仙女座在不同時間的位置和背景星系做了對比，并測量了它的自行量，精確到11微弧秒每年——這相當于從月球上觀察人類指甲的生長。他們發(fā)現(xiàn)，仙女座和銀河系目前間隔距離約為770千秒差距，正在以每秒109千米的速度向?qū)Ψ娇繑n，大約60億年后就會迎面撞在一起！然后，它們會彼此穿過，互相環(huán)繞運行，到70億年后，這兩個螺旋星系會合并在一起，形成一個橢圓形的星系。
橢圓星系也是星系的兩種主要形狀之一。相比于不斷制造恒星、充滿活力的螺旋星系，橢圓星系只是一大團沒什么特色的氣體和恒星。
而奇怪的是，好像只有一小部分星系能完成這種轉(zhuǎn)變。整體上，它們要么充滿活力，要么進入休眠。理論對此給出的解釋是，兩個大星系合并導致了造星運動大爆發(fā)，很快用光了所有可得的氣體；也可能合并重新激活了星系中心的黑洞，造成高能震動和噴射，將氣體驅(qū)趕出了星系，或使氣體不斷攪動激蕩，變得非常熱以至于無法形成恒星。美國約翰·霍普金斯大學的蒂姆·?？寺f，無論這樣還是那樣，都使“氣體降落受阻，由此星系用光了所有能得到的氣體”。
宇宙包含的氣體總量是一定的，遲早銀河系會把所有氣體都轉(zhuǎn)變成恒星。宇宙中的“恒星形成正在逐漸停止，而恒星死亡正在增加”，海克曼說，那些只有太陽質(zhì)量1/10的小恒星，能靜靜地生存1萬億年，但最終，它們也會爆發(fā)而走向滅亡。
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