重建外星天文学家对我们银河系化学的看法 _银河系

艺术家对银河系的印象，从外面看。这里描述的研究更进了一步，展示了如果河外天文学家从远处研究我们的银河系会得到什么结果。信用:斯特凡·佩恩-沃德纳尔
据马克斯·普朗克学会：研究人员重建了外星天文学家从远处观察我们的银河系时，如果他们分析我们的银河系的化学成分会发现什么。这项研究由马克斯·普朗克天文研究所的研究人员领导，与我们对宇宙的理解有关:它允许我们在我们的家园星系和我们从外面观察的许多遥远的星系之间进行一种新的比较。这些结果为我们的家园星系是否特殊这个老问题提供了部分答案:至少在化学成分方面，银河系是不寻常的，但不是唯一的。
我们从外面看到遥远的星系:望远镜观测向我们展示了星系的形状和光谱(星系光线的彩虹般分解) 。那么，对于一个遥远的外星天文学家来说，从这个角度来看，我们的银河系会是什么样子呢？这是一个看似简单的问题。毕竟，地球上的天文学家已经设计出相当巧妙的方法，从我们的观察中推断出一个星系的属性，而外星天文学家也可能对银河系有类似的复杂看法。
对于更复杂的分析方法，很难说外星天文学家会发现什么，如果他们把这些方法应用到我们的银河系。但是回报可能是可观的。这项研究的第一作者、云南大学马克斯·普朗克天文研究所的连建辉(音译)说:“如果我们想知道银河系是否特殊，我们需要找到将我们的家庭星系与更遥远的星系进行比较的方法。自从一百年前天文学家意识到银河系不是宇宙中唯一的星系以来，这一直是一个悬而未决的问题。”
数据和模拟的巨大进步
尽管这个问题可能很古老，但看起来天文学现在很有可能找到一个可靠的答案。首先，在过去十年左右的时间里，对我们银河系的系统研究已经取得了巨大的进展。已经有一些调查，例如APOGEE，提供了我们银河系中数百万颗恒星的化学成分、物理性质和三维运动的信息，这些信息是从它们的光谱中推断出来的。欧空局的盖亚飞船已经追踪了我们银河系中近15亿颗恒星的亮度、运动和距离。
对于遥远的星系也有更多更好的数据。漫画调查深入研究了近10 ， 000个星系。以前针对这么多星系的调查只能提供每个星系的一个整体光谱，漫画描绘了一幅“光谱图”，显示了，比如说，每个星系的化学成分从中心到外围区域是如何变化的。
最后但同样重要的是，现在有了星系形成和演化的现代模拟，如TNG50模拟，它跟踪了一个模型宇宙中从大爆炸后到现在的数千个星系的历史。所有这些发展对我们预测外星天文学家将会看到什么是必要的，因为他们将望远镜对准银河系并试图重建银河系的化学成分。
猜测外星天文学家
这正是由连和玛丽亚·伯格曼(马克斯·普朗克天文研究所)领导的一项新研究所做的。具体来说，连，伯格曼和他们的同事考虑了恒星的化学成分。我们周围看到的恒星主要由氢和氦组成，但也有少量比氦重的元素——这些元素在天文学中(但不是在普通化学中！)被称为“金属” 。
这些金属中的一些是在恒星内部产生的，当大质量恒星在其寿命结束时爆炸时被抛入太空。其他的产生于膨胀巨星的外层，并从那里漂移到太空。最重要的是，有一个总的趋势:星际介质——填充恒星之间空间的气体和尘埃的低密度混合物——中的金属浓度随着时间的推移而增加。较早诞生的恒星含有较少的金属，较晚诞生的恒星含有较多的金属。绘制出星系中哪些区域的恒星金属含量较少或较多，可以告诉你哪个区域的恒星形成较早，哪个区域形成较晚。
从本地宇宙学到外星人视角
我们的家园银河系是目前唯一一个我们可以直接对单个恒星进行大规模调查的螺旋星系——测量它们在我们星系中的位置，并通过它们的光谱，它们的金属含量，表面温度和其他物理属性。Lian，Bergemann和他们的同事开始重建外星天文学家在绘制银河系金属含量地图时会看到的景象。由于我们的家庭星系是一个盘状星系，关键问题是:一个遥远的外星天文学家如何看待金属丰度随着离我们星系中心的距离而变化？
这种重建需要努力。远地点调查的数据只是一个起点。接下来，研究人员需要考虑这样一个事实，即从地球上看，我们对银河系的看法是“模糊的”:在某些方向上，我们和更遥远的恒星之间会有更多的尘埃，削弱了恒星的光线，并完全隐藏了一些最暗的恒星。在其他方向会有更少的灰尘。研究人员需要将观测数据与我们对尘埃和恒星属性的了解结合起来，以重建我们银河系中恒星的真实分布。
我们星系的高金属含量“带”
结果有些令人惊讶。如果你从星系中心向外追踪恒星的平均金属含量，它会增加，在距离中心大约23000光年的地方达到接近我们太阳的金属含量。(作为比较:我们的太阳距离银河系中心大约26000光年。)在更远的距离，平均金属含量再次下降，在距离中心约50 ， 000光年处下降到太阳值的大约三分之一。
为了了解发生了什么，研究人员随后分别观察了不同年龄组的恒星——远地点光谱至少可以粗略估计恒星的年龄。分别观察年轻和年老的恒星，他们发现每个年龄组基本上都遵循一个连续的趋势，靠近中心的金属含量较高，远离中心的金属含量较低。总体分布的增加和最大值纯粹是由于较老的恒星(金属含量低得多)在银河系中心附近更丰富，因此拉低了总体平均值，但较年轻的恒星在更远处变得更频繁。
将我们的银河系与其他星系进行比较
连，伯格曼和他们的同事将这一有趣的结果与其他星系的性质进行了比较。一方面，他们在漫画调查中考虑了321个星系，所有这些星系的质量与银河系相似，产生的恒星数量相似，并且所有这些星系都是正面可见的，因此平均金属度的变化可以被测量。另一方面，研究人员使用相同的标准在TNG50模拟的模型宇宙中识别了134个类似银河系的星系。
那么，我们的银河系到底有多特别——或者没有？本研究提供的答案是:就金属丰度的分布而言，我们的银河系是不寻常的，但不是唯一的。TNG50样本中只有11%的星系和漫画样本中约1%的星系显示出类似的平均金属丰度上下波动。11%和1%之间的差异可能是由于漫画数据中的不确定性和TNG50模型宇宙中现实模拟的局限性的结合。
此外，在外部区域，与漫画和TNG50星系相比，银河系的平均金属含量随着距中心距离的增加而下降的幅度更大。
“为什么”的问题
那么为什么银河系会有它所具有的不寻常的性质，这些性质对于我们的家庭星系的形成历史意味着什么呢？有几种方法可以解释银河系中心附近富含金属的恒星相对稀少的原因。这一特征可能与所谓的凸起(bulge)的形成有关，这是一个围绕银河系中心的较老恒星的大致球形区域，距离约5000光年。膨胀的形成会耗尽大部分可用的氢气，使得后来的恒星形成更加困难。或者，这种稀缺可能与一个活跃阶段有关，在这个阶段，我们星系的中心超大质量黑洞从其近邻喷出粒子和辐射，抑制恒星的形成。
外部区域的金属含量可以用几种方案来解释，这些方案结合了我们银河系内部气体的演化和银河系盘面上恒星形成的历史。这种急剧下降可能是我们银河系历史上一个不寻常事件的迹象——比如说，我们的家庭星系用几乎不含金属的气体“吞噬”了一个较小的星系。这种气体后来会成为形成盘中金属含量较少的恒星的原料。也有可能我们对银河系恒星盘范围的估计是错误的，当谈到减少的幅度时，这种误差扭曲了与其他星系的比较。
观点
玛丽亚·伯格曼说:“这些发现非常令人兴奋！这是我们第一次能够有意义地将我们星系的详细化学成分与许多其他星系的测量结果进行比较。这些结果对于下一代星系形成的全面研究非常重要。这些研究将使用来自即将到来的针对银河系或针对遥远星系的大规模观测项目的数据。我们的研究展示了如何明智地结合这两种数据集。”
总而言之，这里描述的研究提出了许多有趣的问题。通过新的调查和探索“外星天文学家”视角的新研究，我们可以希望找到答案，并在这个过程中更好地了解我们家乡星系的历史。