銀河（圖片來源：Pixabay）

一直以來，人們(men) 在對銀河係進行研究時，都認為(wei) 其中的星際氣體(ti) 是混合均勻的。一方麵，這是由於(yu) 以往觀測技術的限製；另一方麵，看上去“虛空”浩渺的星際空間，似乎也讓這個(ge) 假設看起來合理。一項最新的天文學研究卻顛覆了這個(ge) 傳(chuan) 統觀念：銀河係不僅(jin) 不是均勻的，甚至很“雜亂(luan) ”，不同區域的成分可能差異巨大。這也告訴我們(men) ，茫茫宇宙中還有無窮的奧秘等待人類探索。

編譯 | 李詩源

審校 | 王昱

數以億(yi) 萬(wan) 級的耀眼恒星織成了銀河，點綴了黑暗的夜空。在這些彼此相距遙遠的恒星之間，也並非是完全的“真空”，而是充斥著星際介質。其中的一個(ge) 重要成員，便是由恒星貢獻的“金屬”——在天文學裏，所有比氦更重的元素都統稱為(wei) 金屬。當恒星壽終正寢，並以爆炸完成華麗(li) 的謝幕時，它們(men) 會(hui) 將自己產(chan) 生的金屬（如鐵、鋅、碳和矽等）以原子形式噴射出來，釋放到星係介質的氣體(ti) 中。

除了來源於(yu) 恒星的金屬之外，星際介質中還有兩(liang) 個(ge) 重要成員。恒星噴射出的金屬會(hui) 逐漸凝縮成塵埃顆粒，尤其是在星係中較為(wei) 寒冷和致密的區域。而來源於(yu) 星係間、被吸入星係的原初氣體(ti) （pristine gas）不含金屬，其主要成分是氫，也含有少量的氦。原初氣體(ti) 為(wei) 星係提供了新鮮的“補給”，同時也為(wei) 新恒星形成提供了原料。

在上百億(yi) 年前，銀河係誕生之初，其中是不含金屬的，而正是恒星釋放的金屬豐(feng) 富了銀河係環境的成分。了解銀河係中的氣體(ti) 和金屬成分，可以幫助人們(men) 更好地理解其曆史和演化過程。

理論上，星際介質中的金屬豐(feng) 度可以用極紫外吸收光譜測量。但由於(yu) 塵埃中的金屬元素呈固態，而非可觀測的氣態，所以科學家無法對太陽附近以外的區域的金屬豐(feng) 度作出準確測量。因此，現有的星係理論模型默認，星際介質中的三種成分（來源於(yu) 恒星的金屬、塵埃和來源於(yu) 星係間的原初氣體(ti) ）是均勻混合的，而且在銀河係的大部分區域，金屬豐(feng) 度都與(yu) 太陽大氣層中（即太陽金屬豐(feng) 度）相當，但在銀河係中心區域，由於(yu) 恒星分布更為(wei) 密集，金屬豐(feng) 度略高。

然而近日，一支由瑞士、美國、智利和法國天文學家組成的研究團隊在《自然》上發表了他們(men) 最新的研究成果，表明銀河係中星際介質的成分並未像此前人們(men) 所想的那樣是均勻混合的。相反，銀河係的不同區域，金屬豐(feng) 度存在劇烈的波動。這項發現可能對現有的星係演化理論產(chan) 生重要影響，也意味著對銀河係演化進行模擬的模型或許需要修正。

新的觀測技術

研究團隊使用了哈勃空間望遠鏡、甚大望遠鏡（VLT）等的觀測數據，對銀河係中的25顆恒星光譜進行了研究。“當我們(men) 觀測恒星時，恒星和觀測者之間的氣體(ti) 中的金屬會(hui) 吸收微量的、特定頻率的光，這一特征吸收光譜，不僅(jin) 可以讓我們(men) 得知金屬的存在，還可以告訴我們(men) 其種類以及豐(feng) 度。”索爾邦大學巴黎天體(ti) 物理研究所的帕特裏克·珀蒂讓（Patrick Petitjean）解釋道，他也是這篇論文的作者之一。這些恒星與(yu) 太陽的距離都不超過3千秒差距（1秒差距≈3.26光年）。

研究觀測的恒星與(yu) 太陽的相對位置及金屬豐(feng) 度。（圖片來源：原論文）

為(wei) 校正以往觀測中塵埃對金屬豐(feng) 度測量的影響，研究團隊開發了一種新的觀測技術，其中應用了兩(liang) 種獨立的方法來估計塵埃對觀測結果的影響。“這項技術通過同時觀測多種元素，例如鐵、鋅、鈦、矽和氧，將氣體(ti) 和塵埃的總成分納入分析。然後，我們(men) 就可以追蹤塵埃中的金屬含量，並與(yu) 此前的觀測獲取的數據疊加，獲知總的金屬豐(feng) 度。”研究人員對此解釋道。

並不均勻的銀河係

結果令研究團隊感到意外：不同的恒星金屬豐(feng) 度並不相同，其差異可以超過一個(ge) 量級。其中，豐(feng) 度最低的僅(jin) 為(wei) 太陽的17%，最高的則超過太陽的180%。此外，大約2/3的恒星金屬豐(feng) 度都低於(yu) 太陽金屬豐(feng) 度，平均金屬豐(feng) 度為(wei) 太陽的55%，這也與(yu) 此前的觀點，即銀河係中各處的金屬豐(feng) 度都與(yu) 太陽相當，有很大的出入。此外他們(men) 還觀測到，這種不均勻性的分布跨度可以超過數十秒差距。不過，他們(men) 沒有發現金屬豐(feng) 度和恒星與(yu) 銀河係中心的距離有明顯的關(guan) 聯。

研究人員認為(wei) ，落入銀盤中的原初氣體(ti) 與(yu) 金屬豐(feng) 度較高的星際介質的混合，可能造成觀測到的金屬豐(feng) 度較低。這些原初氣體(ti) 的金屬豐(feng) 度極低，它們(men) 落入銀盤時形成了高速雲(yun) 團，難以有效地與(yu) 星際介質混合，可能最終造成了星際介質金屬豐(feng) 度分布的不均勻。目前的觀測結果也表明，銀盤吸入原初氣體(ti) 的速率遠高於(yu) 產(chan) 生和維持這種不均勻性的需求。也就是說，原初氣體(ti) 的雲(yun) 團可能非常常見，並且能解釋研究的結果。

此前科學家們(men) 認為(wei) ，原初氣體(ti) 與(yu) 星際介質可以高效地混合。但這一新的發現表明，這一過程並沒有那麽(me) 高效迅速，可能的原因之一是，參與(yu) 混合的不同組分之間的物理特性差異巨大。

原初氣體(ti) （洋紅色）被吸入銀盤中，但它們(men) 並不能和銀河係星際介質混合均勻。（圖片來源：Dr Mark A. Garlick）

金屬在恒星、宇宙塵埃、分子和行星的形成中起到了基礎性的作用。這一研究，也讓科學家們(men) 開始展望未來的銀河係研究。“這項發現，對構建關(guan) 於(yu) 星係形成和演化的理論模型產(chan) 生了重大影響。”研究團隊的成員之一、日內(nei) 瓦大學天文學院的延斯-克裏斯蒂安·克羅加格（Jens-Kristian Krogager）表示，“今後，我們(men) 要進一步提升分辨率，讓模擬變得更精細，將銀河係不同區域金屬豐(feng) 度的差異納入考慮。”

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