天文学家发现了银河系的“可怜的老心脏”

银河系中心贫金属红巨星图。(H.-W. Rix/MPIA)

散布在银河系中心的少量恒星是古代银河系核心的残余，那时我们的银河系还很新。利用有史以来最精确的银河系三维地图的测量结果，以及一个神经网络来探测超过 200 万颗恒星的化学成分，一组天文学家已经从我们银河系的婴儿期识别出 18,000 颗恒星，当时它刚刚一群紧凑的原星系聚在一起梦想着更大的事物。在以前的研究中已经确定了这个恒星种群的迹象。“但是我们的结果，”由马克斯·普朗克天文学研究所的天文学家汉斯-沃尔特·里克斯领导的一个团队写道，“显着地充实了现有的图景，表明确实存在一个紧密结合的原位‘冰山’，它的尖端已经被之前认识的。”银河系 130 亿年的历史是一个巨大而美味的谜题，需要从今天的银河系状态中重建。恒星种群可以根据共同特征联系起来，例如它们的运动和化学成分，一种称为金属丰度的特性。这就是欧空局盖亚太空天文台的用武之地。这颗卫星多年来一直在那里与地球共享太阳轨道，仔细跟踪恒星并测量它们在银河系内的三维位置和运动。此外，盖亚进行的测量可以估计恒星的金属丰度。金属量可以将恒星联系在一起，因为具有相似成分的恒星可能同时在同一地点诞生。但它也可以粗略地告诉我们一颗恒星的年龄，因为某些元素在周围有恒星形成之前并不存在于宇宙中。就在 138 亿年前的大爆炸之后，元素多样性并不多。原始宇宙主要由氢和少量氦组成，其他不多。当第一颗恒星在这种介质中形成时，它们炽热的致密核心开始将原子粉碎在一起形成更重的元素：氢变成氦，氦变成碳，等等，一直到最大质量恒星的铁。一旦恒星达到它们融合原子核的能力极限，它们就会死亡，通常是在一个像超新星一样的过程中，将它们的融合产物喷射到太空中。高能超新星爆炸还会产生较重的金属，例如金、银和铀。婴儿恒星然后在它们形成时吸收这些元素。恒星在宇宙中形成的时间越晚，它可能拥有的金属就越多。因此，更高的金属丰度意味着更年轻的恒星；而“贫金属”的恒星被认为年龄更大。但并不是所有的恒星轨道在绕银河中心运行时都是相同的。当你在相似的轨道上发现一组金属含量相似的恒星时，可以合理地得出结论，这组恒星是一个已经聚集了很长时间的星族，也许是从形成开始。里克斯和他的同事使用盖亚数据观察了银河系几千光年内的红巨星。他们确定了 200 万颗恒星，神经网络对来自这些恒星的光进行了分析，可以精确定位金属丰度。他们还发现了一群具有相似年龄、丰度和轨道的恒星，这表明它们在银河系充满恒星并因与其他星系的碰撞而膨胀之前就存在了，大约从 110 亿年前开始。我们知道，银河系中最古老的恒星早于第一次重大碰撞，与一个名为盖亚-土卫二的星系发生碰撞，但银河系中心的这个星群似乎是它们的一个连贯星群。里克斯称它们为银河系的“可怜的老心脏”，因为它们缺乏金属，非常古老，并且可以在银河系的中心找到。研究人员说，人口是原星系的残余。这些在早期宇宙中形成的恒星束并不是成熟的星系，而是它们的种子。在银河系的初期，三四颗这样的种子聚集在一起，形成了我们银河系的核心。可怜的老心星并不是在这些原星系中诞生的，而是原星系恒星死亡时形成的一代恒星。研究人员发现，它们的年龄超过 125 亿年。这一引人入胜的发现引发了许多问题，研究人员希望对其进行调查。这些恒星的空间分布是怎样的？它们是否有任何特殊的丰度比可以告诉我们更多关于银河系早期条件的信息？它们的分布能告诉我们关于银河系碰撞历史的哪些信息？而且，也许最紧迫的是，它们能否引导我们找到那些在银河系最早形成阶段聚集在一起时可能存在于第一批原星系中的恒星——更小、更暗、更难找到？它可能缺乏金属且古老，但银河系古老的心脏最终可能会非常丰富地回答我们银河系的历史。该研究已发表在《天体物理学杂志》上。