銀河系的演化歷史一直是天文學中的重要議題。其中星際物質是銀河系的一個重要組成部份,尤其是星際物質中的氣體和金屬成份。

目前科學家認為,星際物質主要有三個來源:一個是來自我們銀河系外部的原始氣體;一個是我們銀河系內部恆星之間的富含金屬元素的氣體;以及由恆星間氣體中存在的金屬成份冷凝產生的塵埃。天文學中金屬成份泛指非氫元素和氦元素的任何元素。

目前的理論認為,這三種成份在整個銀河系中均勻混合,並達到類似於太陽大氣的化學成份分布,稱為太陽金屬丰度。

然而根據日內瓦大學(UNIGE)領導的一個研究團隊表明,這三種成份在銀河系中分布並非均勻,而是有巨大的分布變化。這項新研究對目前星系演化理論有重大影響,必須大幅修改對銀河系演化的認知。

星系由一系列恆星組成,是由主要由氫和少量氦組成的星系際介質的氣體冷凝形成的。與星系中的氣體不同,星系際氣體幾乎不含金屬成份。

「星系由從外部落入的原始氣體提供燃料,這使它們非常活躍並允許形成新的恆星。」日內瓦大學天文學教授、該論文的第一作者安娜麗莎·德·西亞(Annalisa De Cia)解釋說。

新形成的恆星在其整個生命周期中燃燒構成它們的氫,並通過核聚變形成其它元素。當恆星最終死亡爆炸時,爆炸會釋放恆星所產生的金屬,如鐵、鋅、碳和矽等元素,並將這些元素輸送到星系的氣體中。然後這些原子可以凝結成塵埃,尤其是在銀河系中較冷、較密集的部份。

「最初,當銀河系在100億多年前形成時,它沒有金屬。然後恆星逐漸用它們產生的金屬豐富了環境,」研究團隊解釋說。

因此,銀河系的環境中就存在恆星產生的金屬、由這些金屬形成的塵埃粒子,以及來自銀河系外定期進入的星系際氣體。

「直到現在,理論模型都認為這三種元素是均勻混合的,並在我們銀河系的大部份區域都達到了類似太陽的金屬丰度,只有銀河系中心的金屬丰度略有增加,因為那裏的恆星更多。」 巴黎天體物理學研究所、索邦大學的研究員帕特裏克·佩蒂讓(Patrick Petitjean)解釋說,「我們想使用哈勃太空望遠鏡上的紫外線光譜儀詳細觀察這一點。」

光譜儀可以將恆星發出的光按其各自的顏色或頻率分開,有點像稜鏡或彩虹。在這種分解光中,天文學家對吸收譜線特別感興趣。

「當我們觀察一顆恆星時,構成恆星與我們之間氣體的金屬元素以一種特有的方式,以特定頻率吸收非常小的一部份光,這使我們不僅可以識別它們的存在,還可以說明它是哪種金屬,以及它的含量有多高。」佩蒂讓繼續說道。

在25小時內,科學家團隊使用哈勃望遠鏡和智利的超大望遠鏡(VLT)觀察了25顆恆星的大氣。然而用這些光譜儀無法觀測星際塵埃,即使它含有金屬。研究團隊因此開發了一種新的觀測技術。

「它涉及通過同時觀察鐵、鋅、鈦、矽和氧等多種元素來考慮氣體和塵埃的總成份,」研究團隊解釋說,「然後我們可以追蹤塵埃中存在的金屬數量,並將其添加到之前觀察到的已經量化的數量中以獲得總數。」

利用這種新觀測技術,天文學家發現,不僅銀河系的環境不均勻,而且某些研究區域的金屬丰度僅達到太陽金屬丰度的10%。

這與現有的星系演化理論大相逕庭。然而,科學家並不清楚這種劇烈變化的星際物質分布到底意味著甚麼。

「這一發現在星系形成和演化的理論模型中非常關鍵」,日內瓦大學天文學研究員延斯-克裏斯蒂安·克羅蓋格(Jens-Kristian Krogager)說,「從現在開始,我們將不得不通過提高分辨率來完善理論模擬,從而考慮銀河系不同位置金屬丰度的這些變化。」

這些結果星系演化尤其是銀河系的演化離論有重要影響。事實上,金屬元素在恆星、星際塵埃、分子和行星的形成中都起著重要作用。科學家們猜測,銀河系中新形成的恆星和行星可能和我們熟悉的太陽系有巨大區別。

由此可見,要想了解宇宙的奧秘就得拓寬思維,不能被眼前看到的一點點表象束縛自己的觀念。

這項新研究發表在2021年9月8日的《自然》雜誌上。#

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