银河边陲的远古废墟

一旦我们在最大尺度上观察宇宙，我们会发现它是一个巨大的星系网络。描绘宇宙宏伟结构的是星系，而不是恒星。从宏观角度来看，星系就像点缀在宇宙高速公路网上的点。像真实的城市一样，星系也有丰富的个性和复杂多变的历史。

每个星系都有一个故事。有些很小，但发展很快。有些人看上去平静祥和，但过去的事已无法回忆。大多数大星系——像大城市一样——是在古老的小星系的废墟上成长起来的。我们的银河系就像罗马一样，不是一天建成的。古老星系的残骸分散在星系暗淡的外缘，那里的光线非常分散，直到最近才很难对其进行研究。

直到过去的15年，我们才逐渐意识到几乎所有的大型星系都嵌在一个复杂而巨大的恒星扩散晕中。这些光晕的直径可以达到几十万光年，比我们通常在照片中看到的星系盘要宽很多倍。银河光环的外围似乎是由很久以前被摧毁的古老星系遗留下来的恒星组成的。天文学家花了一个世纪才拼凑出这个事实。这里分布的恒星的表面光度很低，所以在大多数天文照片中很难看到它们。我们可以比较下面两张照片。它们代表同一对星系。第一张照片显示了它们在望远镜中通常的样子，而第二张照片是在一次聚焦于低亮度特征的特别调查中拍摄的。显然，第二张照片拍了许多看不见的东西。*星系(NGC474)被许多由恒星组成的壳状和流状结构所包围，这是被强大引力撕裂的小星系的特征。

不幸的是，这个星系并不典型。它的银河光环亮度最高。然而，我们还是费了很大的劲才说清楚。在大多数星系(如银河系)中，光晕几乎是无法探测到的。

要探测银河系或其他类似星系中的光晕，我们只能逐个识别单个恒星。这是相当困难的，但自从现代数字天空测量，它不再是一个不可能的任务。我们知道银河系的外缘相当复杂——到处都有古代遗留下来的恒星流和星团。有了能够构建银河系晕图的技术，我们惊讶地发现人类对银河系晕的理解实际上始于90年前。最初的框架当然是不完整的，但它相当准确。这是理性和科学方法的胜利。这一胜利可以追溯到人们仍然用恒星来描述宇宙结构(而不是星系)的时候。

1922年秋天，一位不知名的荷兰博士生简·奥尔特(是的，奥尔特)发表了一篇论文，描述了一种前所未有的奇怪现象——恒星高速运动。这是奥尔特的第一篇论文，但它将带来一场与银河系甚至整个宇宙相关的知识革命。值得一提的是，奥尔特称自己为宇宙学家(当时)。1922年，许多天文学家(尽管不是全部)将银河系视为整个宇宙。当时的星图显示太阳在宇宙中心附近。奥尔特认为，为了理解由恒星组成的宇宙，人们必须理解组成宇宙的个体的运动和表现，比如恒星。

虽然奥尔特不知道，但他是在天文学发生巨大变化的十年中成长起来的。他正处于一场可与哥白尼革命相媲美的变革浪潮中，但时间要短得多。几年后，“岛屿宇宙”的概念——银河系以外的星系——被证实存在。但是在1922年，奥尔特对此一无所知。他只是专注于一个非常特殊的问题:你如何理解这些奇怪的高速恒星？

在20世纪20年代早期，人们普遍认为，像太阳一样，我们周围的大多数恒星都在随机运动。天文学家知道有些恒星运动得更快，但总的来说，它们呈现正态分布——复杂物理系统中的自然分布。令奥尔特惊讶的是，那些高速运动的恒星比平常更罕见。就像旧毛衣上的突然线头一样，许多人会忽略这种不规则性，把它当成一种消遣。但在科学领域，对微小异常的关注往往会导致革命性的发现。斯马特抓住了线索。

奥尔特仔细研究了高速恒星后，发现了一个惊人的现象:以太阳为参照物，它们都朝着大致相同的方向运动。具体来说，他发现这些高速恒星与天球的运行方向相同。这些恒星似乎在某种星系的风作用下远离太阳。奥尔特花了很多年时间，在理论家贝尔蒂尔·林德布拉德的帮助下，才对这一现象给出了正确的解释:太阳和银河系圆盘中与之相似的其他恒星一起，正以非常快的速度绕着银河系中心旋转，而先前观察到的高速恒星并没有和我们一起运动，所以它们看起来都像是从运行中吹来的风，方向与太阳相反。奥尔特和林德布拉德发现了一个令人震惊的现象:银河系的旋转。1927年，我们有很好的证据证明我们的岛屿宇宙实际上是围绕一个远离太阳的中心旋转的。

奥尔特-林德布拉德的发现是这个领域历史上最重要的发现之一。但作为一名博士生，奥尔特的另一个观点更令人震惊:他推断银河系有一个由恒星组成的光环。在同一篇论文中，他指出这些高速恒星非常像位于“遥远”而不是靠近太阳的“局外人”。这是一个伟大的发现。他指出，这些快速移动的恒星揭示了一个秘密，即在我们银河系之外的银盘之外有一个更大的尺度结构。两年后，1924年，奥尔特的研究结果表明，这些高速恒星的运动速度也反映了球状星团的运动速度。这些球状星团曾经让哈罗德·卡普利得出结论，银河系相当大，它的中心远离太阳。

尽管许多研究局限于离太阳太近，但在20世纪的剩余时间里，天文学家对这些快速移动的银河晕星进行了更精确的研究。银河系的全景开始展开(上图)。我们的太阳位于银盘中，并以近乎圆形的轨迹围绕银心运行。银河光环中恒星的轨道是快速的、跳跃的和随机的。因此，它们可能进入相对靠近星系的区域(靠近太阳，所以我们很容易找到它们)，但大多数时候它们仍然远离太阳的轨道。尽管最初的数据仅限于离太阳较近的恒星，但动态参数仍然可以让天文学家推断它们离我们相当远。根据第一手资料，天文学家已经推导出一个不言自明的银河晕模型，它看起来像上面的，是一个光滑的，近似球形的结构，其中的恒星将延伸到银盘之外。今天，我们仍然可以在天文学入门教科书中经常看到这样的图片。问题是，这幅图几乎肯定是错的。事实上，银河系的外围有各种复杂的结构。

也许银河系晕最完整的例子是仙女座星系(M31)，我们离银河系最近的邻居。在我们看来，银河系是不完整的，因为我们在其中。仙女座星系离我们足够远，我们可以看到它的完整图像。与此同时，它离我们足够近，我们可以画出里面的单颗恒星。艾伦·麦克康纳奇领导的科学家小组制作的仙女座星系光环的“肖像”同样令人震惊。仙女座星系也被一个复杂的由恒星流、羽状结构和丛状结构组成的网络所包围——它们是古老星系的遗迹。

天文学中有一个迅速发展的新研究领域——“银河考古学”。这门学科的目的是研究古代星系遗留下来的恒星和早已被摧毁的星系废墟，希望能揭开宇宙中第一个星系的秘密。这种“外围”研究和“深度”研究可以相互补充——后者是通过观察过去来直接研究最早的星系。从很多方面来说，我们研究银河系的方式可以追溯到过去。正如年轻的简·奥尔特在1922年所做的那样，我们正在通过绘制星图来研究宇宙。