銀河（圖片來源：Pixabay）

一直以來，人們在對銀河系進(jìn)行研究時，都認(rèn)為其中的星際氣體是混合均勻的。一方面，這是由于以往觀測技術(shù)的限制；另一方面，看上去“虛空”浩渺的星際空間，似乎也讓這個假設(shè)看起來合理。一項(xiàng)最新的天文學(xué)研究卻顛覆了這個傳統(tǒng)觀念：銀河系不僅不是均勻的，甚至很“雜亂”，不同區(qū)域的成分可能差異巨大。這也告訴我們，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(shù)以億萬級的耀眼恒星織成了銀河，點(diǎn)綴了黑暗的夜空。在這些彼此相距遙遠(yuǎn)的恒星之間，也并非是完全的“真空”，而是充斥著星際介質(zhì)。其中的一個重要成員，便是由恒星貢獻(xiàn)的“金屬”——在天文學(xué)里，所有比氦更重的元素都統(tǒng)稱為金屬。當(dāng)恒星壽終正寢，并以爆炸完成華麗的謝幕時，它們會將自己產(chǎn)生的金屬（如鐵、鋅、碳和硅等）以原子形式噴射出來，釋放到星系介質(zhì)的氣體中。

除了來源于恒星的金屬之外，星際介質(zhì)中還有兩個重要成員。恒星噴射出的金屬會逐漸凝縮成塵埃顆粒，尤其是在星系中較為寒冷和致密的區(qū)域。而來源于星系間、被吸入星系的原初氣體（pristine gas）不含金屬，其主要成分是氫，也含有少量的氦。原初氣體為星系提供了新鮮的“補(bǔ)給”，同時也為新恒星形成提供了原料。

在上百億年前，銀河系誕生之初，其中是不含金屬的，而正是恒星釋放的金屬豐富了銀河系環(huán)境的成分。了解銀河系中的氣體和金屬成分，可以幫助人們更好地理解其歷史和演化過程。

理論上，星際介質(zhì)中的金屬豐度可以用極紫外吸收光譜測量。但由于塵埃中的金屬元素呈固態(tài)，而非可觀測的氣態(tài)，所以科學(xué)家無法對太陽附近以外的區(qū)域的金屬豐度作出準(zhǔn)確測量。因此，現(xiàn)有的星系理論模型默認(rèn)，星際介質(zhì)中的三種成分（來源于恒星的金屬、塵埃和來源于星系間的原初氣體）是均勻混合的，而且在銀河系的大部分區(qū)域，金屬豐度都與太陽大氣層中（即太陽金屬豐度）相當(dāng)，但在銀河系中心區(qū)域，由于恒星分布更為密集，金屬豐度略高。

然而近日，一支由瑞士、美國、智利和法國天文學(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì)在《自然》上發(fā)表了他們最新的研究成果，表明銀河系中星際介質(zhì)的成分并未像此前人們所想的那樣是均勻混合的。相反，銀河系的不同區(qū)域，金屬豐度存在劇烈的波動。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)可能對現(xiàn)有的星系演化理論產(chǎn)生重要影響，也意味著對銀河系演化進(jìn)行模擬的模型或許需要修正。

新的觀測技術(shù)

研究團(tuán)隊(duì)使用了哈勃空間望遠(yuǎn)鏡、甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）等的觀測數(shù)據(jù)，對銀河系中的25顆恒星光譜進(jìn)行了研究。“當(dāng)我們觀測恒星時，恒星和觀測者之間的氣體中的金屬會吸收微量的、特定頻率的光，這一特征吸收光譜，不僅可以讓我們得知金屬的存在，還可以告訴我們其種類以及豐度?！彼鳡柊畲髮W(xué)巴黎天體物理研究所的帕特里克·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）。

研究觀測的恒星與太陽的相對位置及金屬豐度。（圖片來源：原論文）

為校正以往觀測中塵埃對金屬豐度測量的影響，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新的觀測技術(shù)，其中應(yīng)用了兩種獨(dú)立的方法來估計(jì)塵埃對觀測結(jié)果的影響?！斑@項(xiàng)技術(shù)通過同時觀測多種元素，例如鐵、鋅、鈦、硅和氧，將氣體和塵埃的總成分納入分析。然后，我們就可以追蹤塵埃中的金屬含量，并與此前的觀測獲取的數(shù)據(jù)疊加，獲知總的金屬豐度?！毖芯咳藛T對此解釋道。

并不均勻的銀河系

結(jié)果令研究團(tuán)隊(duì)感到意外：不同的恒星金屬豐度并不相同，其差異可以超過一個量級。其中，豐度最低的僅為太陽的17%，最高的則超過太陽的180%。此外，大約2/3的恒星金屬豐度都低于太陽金屬豐度，平均金屬豐度為太陽的55%，這也與此前的觀點(diǎn)，即銀河系中各處的金屬豐度都與太陽相當(dāng)，有很大的出入。此外他們還觀測到，這種不均勻性的分布跨度可以超過數(shù)十秒差距。不過，他們沒有發(fā)現(xiàn)金屬豐度和恒星與銀河系中心的距離有明顯的關(guān)聯(lián)。

研究人員認(rèn)為，落入銀盤中的原初氣體與金屬豐度較高的星際介質(zhì)的混合，可能造成觀測到的金屬豐度較低。這些原初氣體的金屬豐度極低，它們落入銀盤時形成了高速云團(tuán)，難以有效地與星際介質(zhì)混合，可能最終造成了星際介質(zhì)金屬豐度分布的不均勻。目前的觀測結(jié)果也表明，銀盤吸入原初氣體的速率遠(yuǎn)高于產(chǎn)生和維持這種不均勻性的需求。也就是說，原初氣體的云團(tuán)可能非常常見，并且能解釋研究的結(jié)果。

此前科學(xué)家們認(rèn)為，原初氣體與星際介質(zhì)可以高效地混合。但這一新的發(fā)現(xiàn)表明，這一過程并沒有那么高效迅速，可能的原因之一是，參與混合的不同組分之間的物理特性差異巨大。

原初氣體（洋紅色）被吸入銀盤中，但它們并不能和銀河系星際介質(zhì)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(chǔ)性的作用。這一研究，也讓科學(xué)家們開始展望未來的銀河系研究?！斑@項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，對構(gòu)建關(guān)于星系形成和演化的理論模型產(chǎn)生了重大影響?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)的成員之一、日內(nèi)瓦大學(xué)天文學(xué)院的延斯-克里斯蒂安·克羅加格（Jens-Kristian Krogager）表示，“今后，我們要進(jìn)一步提升分辨率，讓模擬變得更精細(xì)，將銀河系不同區(qū)域金屬豐度的差異納入考慮?！?/span>

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