天文学家用一次观测重建整座银河系的生命史

天文学家首次提出，他们能够仅凭对一座星系的一次观测，就重建出这座星系数十亿年的“生命史”。这种新方法被称为“河外考古学”（Extragalactic Archaeology），研究团队借助人工智能和星系内部化学元素的“指纹”，为银河系以外的星系撰写跨越宇宙年龄尺度的“传记”。

相关研究近日发表在《自然·天文学》（Nature Astronomy）上，作者认为，这一工作有望成为认识星系如何在漫长宇宙时间中形成、并合与演化的新“野外指南”的基础。为此，研究人员从一个具体案例入手：对螺旋星系NGC 1365内部氧元素分布的微小差异展开分析。

一般而言，星系中心区域的氧元素含量最高，从中心向外逐渐递减，这是这类较重元素的典型分布梯度。但如果在这一梯度上出现异常起伏，就可能意味着星系经历过重大“人生事件”：例如新恒星或黑洞的诞生、老恒星的超新星爆发，或者星系之间的碰撞与并合等。

研究团队构建了约2万种不同类型星系的演化模拟，涵盖了星系在成长过程中可能经历的各种“阵痛”，包括恒星形成、黑洞活动、气体运动，以及不同化学元素的演化等，并为这些模拟星系设置了完整的“身世背景”。随后，团队利用人工智能，将这些模拟数据与真实观测到的NGC 1365进行比对，寻找与该星系化学指纹高度匹配的情景，从而推断出它的演化路径。

“我们仅凭一座螺旋星系当下的化学指纹，就重建出了它详细的成长历史。”论文第一作者、哈佛-史密森天体物理中心主任丽莎·丘利（Lisa Kewley）在接受Refractor采访时表示。

团队的分析显示，NGC 1365的中心区域在宇宙早期就已形成，几乎可以追溯到137亿年前宇宙诞生之初，并在这一阶段产生了氧元素。在随后的约120亿年中，星系外围的气体通过与矮星系的碰撞与并合不断补充，外围气体逐渐累积并推动星系长大，而这些并入的矮星系恒星也为外缘带来了新的物质来源。

这只是一个星系的故事，而“河外考古学”的目标是为银河系之外数量巨大的星系重建“生命史”。研究人员希望通过这种方式寻找这些星系的“化石记录”：虽然星系并不像地球生命那样拥有骨骼，但其内部的气体、尘埃、恒星、暗物质结构等，都在其漫长演化中留下了可供追溯的痕迹。

在传统研究中，天文学家通常依赖“红移”来刻画星系的距离和年代——光谱向红端偏移得越明显，意味着星系距离越遥远、观测到的是越早期的宇宙阶段。这是因为宇宙整体在膨胀，最早形成的星系正在以更快的速度彼此远离。

红移在衡量星系年龄方面依然是重要工具，但“河外考古学”试图回答的是另一类问题：星系在亿万年间如何并合、如何交换气体与其他物质、如何通过这些过程塑造出今天的样子。幸运的是，人工智能、大规模数值模拟以及高分辨率望远镜观测等新技术的结合，使得这种雄心勃勃的研究路径逐步变得可行。

在丘利看来，NGC 1365是开展这类“考古”研究的一个理想案例。“这项研究表明，对一座星系内部氧元素的精细成像图，如果能系统地与成千上万种模拟星系进行比较，就能大幅收窄它可能的演化路径。”她说。

当然，NGC 1365只是宇宙中数以百亿计星系中的一个，研究人员强调，下一步需要将同样的方法应用于更多类型的星系，并覆盖不同的并合序列和演化分支。如果一切顺利，他们希望最终能编写出一本“典型星系野外图鉴”：就像在地球上看到一只鸟，人们不仅可以描述它现在的外形特征，还可以推断它的成长环境和演化历程，天文学家也能通过星系的“化学指纹”和结构“外貌”，推断其恒星与气体何时、如何汇聚成今天的模样。

作为一门仍处于起步阶段的研究方向，丘利指出，“河外考古学”还有许多有待完善之处。“随着我们纳入更多化学元素、更多星系样本，以及更精细的模拟，这一方法将变得更加强大。”她说，并表示研究团队的长期期待是，借助这一新工具更好地揭示遥远星系的历史，不仅帮助人类理解整个宇宙的演化，也让我们对自身所在的银河系在宇宙中的位置与来历有更清晰的认识。