去年4月，阿米娜·赫尔米(Amina Helmi)在荷兰北部开车上班时感到浑身起鸡皮疙瘩。这与天气无关，纯粹是一种期待。就在几天前，欧洲航天局(ESA)的任务盖亚(Gaia)发布了大量的数据，五年以来他们一直在绘制银河系的地图。格罗宁根大学(University of Groningen)的天文学家和她的团队正在争分夺秒地梳理这些数据，以便在其他人到达之前获得关于银河系的深刻见解。
工作快进，兴奋得无法入睡，赫尔米和她的同事们感觉到他们在做一些事情。这个团队已经发现了3万颗变节的星星。不像银河系主体内的其他天体，它们以相对平坦的圆盘状轨道运行，这些不墨守成规的天体是在往后退，它们的轨道将它们带出了银河系平面。
在几周内，研究小组得出结论，这群发光的恒星指向了银河系历史上一个隐藏已久且特别混乱的篇章:年轻的星系和一个巨大的伴星之间的碰撞。这个庞然大物曾经像行星一样环绕着银河系，但在大约80亿到110亿年前，这两颗行星发生了碰撞，极大地改变了星系盘的形状，使恒星四处散落。这是我们所知的银河系最后一次大碰撞，它的形状与我们今天所见的螺旋状差不多。
尽管那个古老的撞击的信号已经隐藏在我们的视线中几十亿年了，杏耀QQ但是只有通过盖亚的数据集，天文学家们才最终能够探测到它。“能够发现银河系历史上如此重要的一个里程碑真是令人难以置信，”赫尔米说。
多亏了盖亚，这些不朽的发现正变得几乎司空见惯。这项任务的目标是对超过10亿颗当地恒星进行编目，并绘制出它们的亮度、温度、年龄、位置和速度的图表。这最后两个特性对天文学家特别有启发意义:在盖亚之前，科学家们缺乏对许多恒星之间距离的高精度测量，也缺乏所谓的“固有运动”，即恒星在天空中的运动。利用这一关键信息，研究人员可以——就像赫尔米和她的同事们所做的那样——寻找一组物体，它们沿着协调的轨迹一起移动，指向一个共同的历史。恒星的速度也可以帮助天文学家追踪暗物质的影响——暗物质是一种不可见且仍然神秘的物质，它构成了银河系的大部分质量，并通过其引力使恒星的路径发生弯曲。
自2018年4月盖亚发布数据以来，已经发表了数百篇论文。他们描绘了一幅银河系的画面，其动态和复杂程度远远超出了之前的想象。这个星系充满了惊喜，包括暗物质团块的迹象，这可能最终会让科学家更好地掌握这种神秘物质的特性。英国剑桥大学的天文学家Vasily Belokurov说，这些早期的、容易发现的发现已经是革命性的，但它们仅仅是未来的一瞥:“我们看待银河系的方式已经发生了明显的变化。”
破坏性的过去
太阳系位于银河系的外围，距离银河系中心约8000秒(26000光年)，位于一个被称为猎户座的二级螺旋臂上。站在这个位置，望着夜空中那巨大的星光带，天文学家们必须描绘出这个星系的结构。到了20世纪中期，他们绘制了一幅粗略的图，确定银河系的恒星分布在一个中央隆起处，被蛇形的星臂包裹着，并被一个薄的球形光环环绕着。在20世纪70年代和80年代，研究人员推断出这种结构是如何在数十亿年的时间里形成的，最初是由大量的暗物质、气体和尘埃构成的。这些可见的组成部分坍缩成一个圆盘状的结构，然后通过吞噬较小的卫星星系而膨胀起来。后来，天文学家们用地面望远镜反复拍摄整个夜空，填补了细节。这样的调查使科学家们能够更近距离地观察像恒星晕这样的大型星系物体，他们在那里发现了小星系的残余，这些小星系一直延伸到恒星云集的碎片流中。
但是地面观测只能给天文学家提供这么多关于银河系结构的信息，主要是因为从地球的湍流大气中获得的模糊信息限制了确定恒星距离的准确性。虽然可以通过颜色的变化来测量恒星离地球的远近，但要分辨出它们的正确运动——也就是它们的全部三维速度——是很困难的，因为在人类的时间尺度上，大多数物体在天空中移动的幅度很小。这个问题掩盖了许多星群之间的关系，而星群之间的联系可能是由它们运动的相似性来揭示的。
耗资约7.4亿欧元(合8.44亿美元)的盖亚计划于2000年获得批准，13年后启动，旨在填补这些空白。绕太阳运行的航天器比地球稍微远一些，它从轨道上不同的位置捕捉相同的恒星。这使得天文学家可以通过一个被称为恒星视差的量来测量距离——即一个物体在天空中随视角变化而发生的微小的表观位置变化。欧空局的Hipparcos卫星在1989年至1993年期间运作，收集了类似的视差数据。但是盖亚的精度最终会提高100倍。由于它的灵敏度，它可以更深入地探测银河系:在它观测到的10亿多颗恒星中，大约99%的恒星的距离从未被精确测定过。
在一项计算密集的工作中，盖亚的研究人员已经建立了一张每颗恒星相对于望远镜所看到的每颗恒星的位置图。这使得研究小组能够测量恒星在天空中的运动速度。然后，通过测量恒星颜色的微小变化，天文学家就可以知道这些物体在卫星的视线范围内朝着或远离卫星的速度有多快。这两种测量的结合，加上从盖亚算出的距离，提供了恒星的完整三维运动。盖亚可以测量它所看到的最亮的恒星的视线运动，但是地面望远镜将帮助测量剩余的恒星。了解每颗恒星的位置和走向，可以让研究人员迅速梳理出隐藏的银河系历史。
这就是Helmi和她的同事们所研究的古代碰撞的情况(参见“我们星系早期形成阶段的合并”)。在他们的工作中，来自新墨西哥州的地面斯隆数字天空调查(SDSS)的数据支持了他们所发现的恒星群具有共同起源的证据，这些数据表明，这些恒星群的成员都有相似的化学成分。研究小组选择了盖亚-恩克拉多斯这个名字，因为这个矮星系被认为是这些恒星的家。恩克拉多斯是希腊神话中盖亚的后裔。
当事情发生时，Belokurov和他的同事也发现了撞击的证据，他们使用了来自2016年Gaia初步数据发布的信息。这些数据不包括正确的运动数据，但通过将这些数据与十年前的SDSS观测数据进行比较，研究小组可以看到恒星在这段时间内是如何运动的。他们注意到一群物体沿着偏心轨道一起运动，最终会把它们从星系中心带到星系外围。这两起事故似乎是由一次单一的大碰撞引起的，由于金属含量相似，它们的共同历史显而易见。由于绘制的速度形成了香肠形状，研究小组将这个曾经是恒星家园的古老矮星系命名为盖亚香肠。
这种双重命名在社区中引起了一些混乱。但是不管这个罪魁祸首叫什么，这个古老的合并可能是一个持久的银河系之谜的线索。银河系的圆盘有两个组成部分:一个由气体、尘埃和年轻恒星组成的薄薄的内圆盘，就像奥利奥(Oreo)夹心的奥利奥(Oreo)巧克力。天文学家们一直在争论，究竟是厚圆盘首先形成，杏耀注册 ，然后气体和尘埃冷凝下来形成较薄的核心，还是这个结构一开始是一个薄圆盘，然后部分膨胀起来。由于盖亚-恩克拉多斯-香肠在撞击时是银河系体积的一个重要组成部分，它会将大量的能量沉积到星系盘中，使其升温并膨胀。赫尔米的研究小组认为这是一个有利于膨胀理论的标志，也是银河系发生戏剧性扭曲的证据。
知识爆炸
利用盖亚的数据，可以如此迅速地得出这些以前难以理解的结论，这让研究人员感到震惊。纽约市哥伦比亚大学(Columbia University)的天文学家凯瑟琳•约翰斯顿(Kathryn Johnston)回忆起4月份数据公布后第二天发表的一篇论文所引起的骚动。这篇论文显示，太阳附近大约600万颗恒星的运动都以一种类似蜗牛壳的奇特螺旋形排列。
约翰斯顿说，这个图案似乎是一个指纹，是由一个名为人马座的小卫星星系印出来的。每当人马座俯冲近距离，它的引力会干扰星系恒星，这应该会在盘上产生抖动和涟漪。研究人员先前曾推测过这种印记，但盖亚数据中的特征似乎是第一个清楚而令人信服的信号，表明人马座的影响。“对我来说，那是一个令人震惊的时刻，”约翰斯顿说。“螺旋非常干净。它看起来像是一个理想化模拟的理论预测，而不是真实的数据图。”
多亏了盖亚的眼睛，这样的扰动不仅引人注目，而且还讲述了一个关于银河系过去的不同故事。在此之前，大多数天文学家都认为，尽管银河系的外层光环经历了一段与小型卫星的混乱碰撞史，但其主体却过着相当平静的生活。诸如螺旋臂和一条被认为穿过中央凸起的星带等特征通常被认为是银河系内部动力学的产物。但是，由人马座引起的摆动表明，外力对银河系形状的影响比之前认为的要大。
新泽西州普林斯顿大学的天体物理学家Adrian Price-Whelan说，盖亚正迫使研究人员重新审视一些用于简化模型的权威假设。“我们知道那些假设是错误的，”他补充道。“盖亚现在已经告诉我们，他们是多么的错误。”
绘制银河系发光物体的地图也可以帮助我们了解暗物质，暗物质可能占银河系质量的90%。理论家们怀疑，我们的星系位于一个巨大的、大致呈球形的暗物质晕中。由于重力的作用，这个暗物质晕和普通物质一样，已经聚集成更小的结构。宇宙学模拟显示，数以千计的大型暗物质团绕银河系运行，偶尔会被中心的暗物质团吞噬，这一过程与银河系吞噬其小型可见卫星的过程类似。
绝大多数的暗物质亚结构被认为包含很少或根本没有恒星，这使得它们很难被探测到。但是盖亚可能在GD-1中发现了一点类似的迹象，这是2006年发现的一条长长的恒星流，横跨北方天空的一半。仔细观察这一恒星流并不陌生，但盖亚使哈佛-史密森天体物理中心的普莱斯-威兰和天文学家安娜·博纳卡更有信心地挑选出真正的成员。该中心位于马萨诸塞州剑桥市。去年11月，他们和另外两名同事确定了结构特征，包括一个明显的缺口，这可能是大约5亿年前与一个巨大物体相遇时留下的伤疤。当假定的摄动者疾驰而过时，它可能通过引力牵引一些恒星，使它们拉到它们同伴的前面，从而把这列恒星分开。
博纳卡说，最有可能的罪魁祸首似乎是一团稠密的暗物质，其质量可能是太阳质量的100万到1亿倍。这一估计可能会对暗物质的物理模型产生影响。暗物质粒子的质量有助于决定它移动的速度，进而决定它可能形成的团簇的大小。博纳卡说，GD-1摄动器的大小在一个有趣的范围内，它可以排除质量相对较低的暗物质候选者的假设。
博纳卡和她的团队现在对利用盖亚数据来确定气流中被扰动恒星的速度很感兴趣，这些数据可能指向了推测的暗物质团的轨道。如果他们能确定在今天的什么地方可以找到它，他们也许就能探测到它对其他物质的引力作用。或者他们可以训练当场γ-ray望远镜寻找证据的暗物质粒子湮灭或腐烂,过程可以产生能量的光子。这两种技术都能更直接地探测到这种看不见的物质的物理性质。
然而Price-Whelan说很难从一个单一的例子中推断出太多。他希望利用盖亚星表和未来的天文台进行系统的研究，比如智利的地面大型巡天望远镜，预计将在2020年初开始收集数据，从而揭示出暗淡的恒星和其他恒星流。如果其中的一些流也显示出与暗物质团块相遇的影响，它们可以让天文学家更好地了解这些团块的丰度和大小，这将有助于确定暗物质的属性。
天文学家希望盖亚关于恒星运动的数据也能帮助他们绘制出星系黑暗面的大致形状。根据其构成粒子的类型，银河系的暗物质晕可能具有不同程度的球形或对称性。Belokurov预计，在未来两到四年内，来自盖亚的本地恒星轨道信息将足以追踪出暗物质晕的总体质量和形状。
这样的发现并不局限于银河系。关于星系历史和暗物质分布的结论将反馈到用于探索宇宙大结构如何增长和变化的宇宙学模型中。盖亚已经被批准将它的第一个任务延期到2020年底，荷兰莱顿大学的天文学家安东尼·布朗是该任务数据处理和分析联盟的主席，他认为这颗卫星可以持续收集数据到2024年，杏耀联系总共10年。他说，这一扩展将为盖亚测量其目前追踪的恒星的固有运动的精度提供三分之二的提高。它还可以提供关于更遥远的恒星的信息。
盖亚的最终遗产还有待书写，但所有迹象都表明它将是实质性的。诸如SDSS所进行的全天空调查的数据，在完成十年或更久之后，仍继续提供有关宇宙的富有成果的发现。海尔米期待着随着盖亚的目录变得更大更详细，银河系的历史将会进一步的重卷。她说:“我觉得最令人兴奋的一件事是，我们开始真正挖掘过去。”
