首颗银河系“外来移民”现真容

新发现的这颗银河系“外来移民”示意图。（中国国家天文绘制）

郭守敬望远镜上空的银河拱桥。（资料图片）

科幻电影《流浪地球》中，地球像宇宙飞船一样在太空中“四处流浪”。而现实中，与太阳类似的恒星不仅会在本星系内运动，甚至会从一个星系“流浪”到另外一个星系——这是怎么一回事？

日前，国际科学期刊《自然·天文》在线发布我国天文学家主导的一项重大发现，中国科学院国家天文台赵刚研究员领导的中日合作研究团队证实了银河系内一颗重元素（包括银、铕、金、铀等）含量超高的恒星来自被银河系瓦解的矮星系。

论文作者、国家天文台副研究员李海宁表示，银河系周围约有50多个矮星系，均受到银河系强大的引力，甚至被银河系“吞并”，从而在银河系中留下大量星际“移民”。一旦这些移民恒星久居于银河系，便很难将它们与银河系的土著恒星区分开。而此次发现，为银河系并合事件提供了确切可靠的化学证据，为识别银河系中的“外来移民”提供了新的线索。

元素：恒星的DNA

自然界的万物，大到宇宙中的恒星，小到地面上的蚂蚁均由化学元素周期表中的化学元素所组成。然而，这些元素从何而来呢？

曾获得诺贝尔物理学奖的化学元素合成理论是这样描述的：宇宙诞生之初，大爆炸产生了大量的氢、氦和极其微量的锂。随后，这波大爆炸物质开始冷却，直到2亿年后，宇宙中才出现了第一代恒星。

具体而言，恒星的核心就像化学元素的“炼金炉”，恒星可以在其中逐渐炼成各种化学元素。其中，比氦重的元素都被天文学家称为“金属”元素。当这些恒星以极其壮烈的方式——超新星爆炸结束生命之时，其制造的金属元素将被播散到星际之中，为后代恒星的产生提供原料。

宇宙中，比铁重的元素主要是通过原子核与中子撞击产生。如果被原子核所捕获的中子速率比中子衰变的速率快，该过程产生的元素就被称为快中子俘获过程元素。像人们熟知的贵金属黄金，制造原子弹所用的铀，在地壳中含量仅有0.000106%并被称为最稀有元素的铕，都属于比铁重的快中子俘获过程元素。我们可以简单地把快中子俘获过程元素称为“重金属”元素。

天文学家发现，恒星很大程度上保留了它诞生时所处环境的化学成分，因此无论长大后的恒星何去何从，它们身上携带的化学成分就像生命密码DNA一样，能够成为天文学家揭秘恒星起源的重要线索。

然而，星星离我们如此遥远，星光又如此微弱，天文学家如何获知这些星星的奥秘呢？

这要感谢19世纪的德国光学仪器师夫琅和费（J.Fraunhofer）第一次发现了太阳光谱。利用太阳光谱，可以探测太阳大气的化学成分、温度、压力、运动、结构模型以及形形色色活动现象的产生机制与演变规律，可以认证辐射谱线和确认各种元素的丰度。

光谱的发现，真正开启了人类探索恒星内部化学组成的大门。恒星光谱就像恒星的指纹，天文学家可以通过一个恒星的光谱测量其温度和光度，推断出它的大小、年龄、化学成分，甚至可以重现这颗恒星的“星路”历程。

目前，世界上光谱获取率最高的天文望远镜是由中国天文学家自主研制的郭守敬望远镜（LAMOST）。它巡天7年，获取了1125万条光谱。这些星光里的“彩虹”为天文学家探索银河系的形成与演化，以及星系物理等前沿科学的种种奥秘提供了最有力的数据支持。

重元素超高：露出马脚

那么，银河系是如何形成的呢？

天文界更倾向的理论认为：宇宙初始有很多小分子云，这些分子云各自形成很小的包含恒星和气体的矮星系。所谓矮星系，就是拥有恒星数量较少，且总体质量较小的星系。然后，这些矮星系不断碰撞合并形成更大的星系，也就是银河系的雏形。最后，这个初始的银河系不断“吞噬”附近的矮星系，最终形成了现在规模的银河系。

长久以来，天文学家一直在努力寻找矮星系被银河系“吞噬”的证据，以获知银河系中现有恒星到底哪些是原有的“土著居民”，哪些是来自于近邻矮星系的“外来移民”，从而推动银河系形成与演化的研究。

论文第一作者、国家天文台邢千帆博士介绍说，依托我国重大科技基础设施LAMOST的光谱数据，研究团队在银晕（银河系外围由稀疏分布的恒星和星际物质组成的球状区域叫银晕）中发现了一颗快中子俘获过程元素含量超高的重金属恒星。这颗恒星的铕相对于铁的比率是太阳的10倍之多，大大超出了同类恒星的平均值。它携带了大量包括金元素在内的重元素，堪称银河系的一个“金库”。

目前，天文学家在银晕中仅发现了30余颗该类恒星，如此稀有的恒星引起了天文学家的强烈好奇：这些恒星到底来自哪里？它们是银河系里的“原始居民”，还是来自近邻矮星系的“外来移民”？

一系列的问题推动着天文学家继续前行。而要为恒星寻宗问祖，仍需从星星们的DNA——化学元素的组成开始研究。

DNA鉴定：揭示真实身份

被银河系吞噬的矮星系与目前幸存的矮星系具有相近的质量，因此，它们拥有的成员星也具有相似的化学特征。通过研究银河系附近矮星系成员星的化学组成，天文学家便可获知矮星系家族里恒星的化学特征，从而像做DNA鉴定一样，把银河系内来自矮星系的恒星筛选出来。

研究人员发现，在银河系近邻矮星系的成员星中，α元素（镁、硅、钙和钛等）的含量明显低于银晕内恒星的平均值。基于此，目前“α元素含量低”的特征就如同一条DNA生命密码，成为筛选银河系中外来“移民”的有效证据，帮助天文学家找出银晕中最初来自于矮星系的恒星。

根据这个线索，邢千帆等人对这位身份可疑、重金属元素含量超高的恒星开展了α元素含量的DNA鉴定。经测量，这颗恒星的α元素含量异常低，仅为同类恒星的五分之一——而具有类似化学成分的恒星在银河系近邻矮星系中却普遍存在。因此，初步断定这颗银晕中的恒星是“外来人员”，极可能是银河系并合矮星系时带来的“移民”。

为进一步证实这颗恒星的真实身份，我国天文学家借助日本的8米光学望远镜开展了高分辨率光谱观测，确定了该星更加精细的化学成分，获取了其24种元素的含量，并分别与矮星系恒星和银晕场星进行了细致比较，对比发现这颗恒星的化学成分与矮星系恒星高度吻合，明显不同于银河系的银晕场族恒星。

通过以上的DNA亲子鉴定，这颗奇特恒星的“身世”和“家族史”终于浮出水面——它果然是来自于被银河系瓦解的矮星系。

这让人不禁感叹，宇宙的星空舞台上，原来也上演过如此精彩的故事：这颗恒星起初居住的矮星系“国度”实在没办法与银河系这个强大的“国度”势均力敌，最终在不断撕扯挣扎中被银河系征服吞噬，矮星系“王国”携带包括这颗星在内的恒星成员一起投奔了银河系。于是，才有了今天天文学家帮它寻宗问祖揭秘身世的杰作。这颗恒星的发现及其“身世”的揭秘，也为银河系并合事件提供了确切可靠的化学证据。

“科学的美妙在于，即便我们当时看不到它，但人类的智慧却能让我们在千万年之后预见它、证实它，重现宇宙星空一个个精彩的故事。”李海宁说。

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