[비즈한국] 最近，歐幾里得（Euclid）空間望遠鏡拍攝的銀河系中心超高解析度影象公開了。這是迄今為止用可見光拍攝的銀河系中心照片中，最廣闊且精細的影象之一。公開的高解析度檔案大小約為 27000×22500 畫素，相當於約 6 億畫素。它在天空中所佔的面積比從地球上看到的 20 多個月亮合起來還要大。
僅在這張照片中，就包含了超過 6000 萬顆恆星。星雲、星團、黑色塵埃雲，以及新恆星誕生的區域，都隱藏在各個角落。這一場景展示了我們通常所說的“銀河”那條微弱的光帶，實際上是由多麼龐大的恆星、塵埃和氣體組成的結構。
歐幾里得空間望遠鏡最初並非為觀測銀河系而設計。它是為了尋找暗物質和暗能量的痕跡，被設計用於觀測銀河系之外遙遠宇宙的星系。然而，這一次它將目光投向了近處的宇宙，注視著恆星最密集的銀河系中心。
這張照片彙集了從 3 月 23 日開始，分九次、歷時約 26 小時的觀測成果。透過拼接每一張單獨拍攝的照片，最終完成了一張巨大的馬賽克影象。即使是每一張單獨的照片，其覆蓋的天空範圍也比滿月還要大。
歐幾里得的可見光相機解析度與哈勃空間望遠鏡的廣角相機相當，但它單次拍攝覆蓋的天空面積比哈勃大 270 倍左右。如果用地面大型望遠鏡觀測同一區域，可能需要近 2000 小時。
歐幾里得拍攝的銀河系中心影象，也是未來即將發射的其他空間望遠鏡的重要參考資料。南希·格雷斯·羅曼（Nancy Grace Roman）空間望遠鏡計劃在大規模範圍內探測銀河系中心由外星行星引起的微引力透鏡現象。
微引力透鏡是指當外星行星或恆星等天體經過遙遠的背景恆星前方時出現的一種現象。前方天體的引力使周圍的時空發生扭曲，從而放大了背景恆星的光，導致恆星的亮度暫時發生變化。透過分析這種亮度變化，不僅可以推斷外星行星的存在，還能估算其質量。
歐幾里得拍攝的影象中已經包含了約 50 個已知的外星行星系統。這張影象成為了記錄微引力透鏡現象發生前背景恆星位置和亮度的基準資料。經過一段時間後，透過與羅曼空間望遠鏡的觀測進行對比，可以測量恆星的固有運動，並更準確地將起透鏡作用的天體與遙遠的背景恆星區分開來。
在微引力透鏡觀測中，背景恆星越多越有利，因為起透鏡作用的天體經過背景恆星前方的可能性會隨之增加。實際上，利用微引力透鏡探測外星行星的專案，主要目標就是恆星密集的銀河系中心。
然而，在銀河系中心方向，還隱藏著比外星行星更古老的秘密。在銀河系中心凸起部（Bulge）內部，有一個名為 Terzan 5 的天體。表面上看，它就像是一個無數恆星聚整合球狀的普通球狀星團，但最近的精密觀測表明，Terzan 5 的歷史可能與普通的球狀星團截然不同。
球狀星團通常是極其古老的恆星聚整合球形的集合體，數十萬到數百萬顆恆星密集在狹小的空間內。大部分恆星誕生於約 100 億到 130 億年前。因此，球狀星團被稱為宇宙初期形成的“銀河系化石”。
傳統上，球狀星團內的恆星被認為是幾乎在同一時間從一個巨大的氣體雲中誕生的“兄弟星”。最近，隨著在多個球狀星團中發現兩代以上的恆星，多恆星族（Multiple Stellar Populations）的概念逐漸確立。無論如何，球狀星團一直被認為是一個比銀河系簡單得多的恆星集合體。
Terzan 5 長期以來也被視為這樣的球狀星團之一。該天體由在法國活動的亞美尼亞裔天文學家 Agop Terzan 於 1968 年發現。考慮到它是一個明亮且沉重的星團，這個發現時間算是相當晚的。
發現較晚的最大原因是位置。Terzan 5 位於銀河系中心方向，距離僅約 2 千秒差距。在這個方向，背景恆星過多，遮擋星光的塵埃雲也分佈得非常厚。由於星光被塵埃吸收而變暗、變紅的星際消光現象非常嚴重，觀測難度極大。
據推測，Terzan 5 的質量超過太陽質量的 200 萬倍，在銀河系現有的球狀星團中也屬於相當重的型別。更令人驚訝的是，在該天體中發現的毫秒脈衝星已經超過 40 顆，近乎達到 50 顆。它是已知球狀星團中擁有最多毫秒脈衝星的天體之一。
毫秒脈衝星是每秒旋轉數百次的中子星，被解釋為古老的中子星在從伴星汲取物質的過程中重新高速旋轉的結果。在恆星密度高的球狀星團中，恆星之間相互擦肩而過或交換伴星系統的情況非常頻繁。Terzan 5 中毫秒脈衝星特別多的現象，證明了這裡曾經是一個質量極大且環境密集的場所。
然而，Terzan 5 真正的特殊性在於其恆星的化學組成。在普通的球狀星團中，恆星的鐵含量相對均勻，因為它們是在相似的時間從同一個氣體雲中誕生的，所以金屬含量通常相近。
但 Terzan 5 並非如此。其代表恆星鐵含量的指標 [Fe/H] 分佈在約 -0.8 到 +0.3 的寬廣範圍內。而且，鐵含量的分佈並不是形成一個平緩的峰值，而是在特定的區間內恆星數量增加，出現了多個峰值。
像這樣金屬含量分佈廣泛且複雜的情況，在普通球狀星團中很難見到。這意味著 Terzan 5 的恆星並非在小星團內幾乎同時誕生的“同齡人”。相反，它似乎經歷了與銀河系中心凸起部本身相似的化學演化歷史。
在同時表現恆星顏色和亮度的色-星等圖中也出現了同樣的線索。恆星在大部分壽命期間處於主序階段，年老後會離開主序。因此，如果不同時期誕生的恆星共同存在，那麼離開主序的位置——主序轉向點（Turn-off point）——也會因代際而異。
此前，利用哈勃空間望遠鏡和歐洲南方天文臺的甚大望遠鏡（VLT）進行的觀測證實，Terzan 5 中至少存在兩代恆星。一代是約 120 億年前誕生的低金屬含量恆星，另一代是約 40 億至 50 億年前誕生的金屬含量較高的恆星。相隔約 70 億年誕生的恆星竟存在於同一個天體之中。
最近詹姆斯·韋布空間望遠鏡的觀測表明，Terzan 5 的恆星族群遠比這複雜。韋布望遠鏡的近紅外相機 NIRCam 對 Terzan 5 進行了近紅外波段觀測。由於近紅外光受塵埃的影響比可見光小，因此對於研究像銀河系中心這樣塵埃厚重的區域尤為有利。
此外，還結合了過去 20 多年累積的哈勃空間望遠鏡觀測資料。長時間跨度的觀測有利於測量恆星在天空中的固有運動，從而準確區分屬於 Terzan 5 的恆星和偶然處於同一方向的凸起部背景恆星。
這一過程在銀河系中心研究中至關重要。由於 Terzan 5 所在方向背景恆星極多，如果不能準確篩選出星團成員，色-星等圖可能會被嚴重扭曲。如果混入了不屬於星團的恆星，可能會顯得好像存在並不真實的恆星代際。
塵埃雲的影響也因位置而異。在同一觀測區域內，位於塵埃密集處的恆星看起來更暗、更紅。如果不正確校準這種“差分消光”，即使是年齡和化學組成相同的恆星，也可能顯示為不同的群體。
研究人員利用固有運動篩選出屬於 Terzan 5 的成員，並利用韋布望遠鏡精確的近紅外觀測對每一顆恆星受到的塵埃影響進行了校準。結果，完成了迄今為止最精確的 Terzan 5 色-星等圖。
分析結果顯示，Terzan 5 中可能混合了至少四次恆星誕生的歷史。最古老且金屬含量最低的一代是約 125 億年前誕生的恆星。金屬含量更高的年輕一代誕生於約 47 億年前。此外還存在約 38 億年前形成的另一代，並提出了約 25 億年前可能仍在形成新恆星的可能性。
也就是說，Terzan 5 並非所有恆星同時誕生的普通球狀星團。在約 125 億年前誕生首批恆星後，47 億年前和 38 億年前也製造了新恆星，甚至 25 億年前可能仍有恆星誕生。恆星誕生在數十億年的間隔中反覆發生。
在普通球狀星團中很難期待這種歷史。第一代的大質量恆星透過超新星爆炸後，剩餘的氣體會被推向星團之外。如果是質量較小的星團，僅憑几次超新星爆炸，大部分氣體就會飛離引力範圍。之後再也沒有製造新恆星的材料，只有第一代的恆星留下並緩慢衰老。
Terzan 5 似乎不同。它初始質量足夠大，引力也足夠強，極有可能留住了恆星釋放的氣體和化學元素。由原有恆星製造的鐵和重元素並未完全流失，而是保留下來成為了下一代恆星的材料。與其說它是一個小的球狀星團，倒不如說它更像是一個進行了獨立化學演化的巨大星系系統。
正因為如此，天文學家不把 Terzan 5 僅僅看作一個球狀星團，而是將其解釋為銀河系中心凸起部的化石碎片。這意味著 Terzan 5 極有可能是構成銀河系中心凸起部的原始“建築基塊”之一。
我們現在看到的銀河系中心，可能並非從一開始就是一個平滑的單一結構。早期宇宙的銀河系圓盤內氣體豐富，湍流也很強。隨著這種圓盤在引力上變得不穩定，可能形成了質量為太陽 1 億到 10 億倍的巨大氣體塊。
這些團塊在引力相互作用下可能移動到了銀河系中心。到達中心的團塊彼此合併、混合，很有可能形成了凸起部。然而，並非所有團塊都被完全破壞和混合。其中一些可能直到現在依然作為獨立天體倖存下來。
Terzan 5 極有可能就是這樣的倖存者。它可能是銀河系中心凸起部形成時一同產生的原始碎片，但並未與其他團塊完全合併，而是作為倖存了數十億年的化石存在至今。Terzan 5 中殘留的幾代恆星和複雜的金屬含量，實際上保留了銀河系中心形成初期的部分歷史。
我們也可以認為 Terzan 5 是在銀河系外遊蕩後流入的矮星系殘骸。因為已經有事實證明，銀河系的許多球狀星團實際上是過去被銀河系吞噬的矮星系的核或殘骸。
然而，Terzan 5 的軌道支援其內部起源而非外部起源。根據復原的軌道，Terzan 5 即使距離銀河系中心最遠時也僅保持在 2.8 千秒差距左右。它在不偏離銀河平面太遠的情況下，緊貼著銀河系中心描繪出小軌道。這支援了 Terzan 5 是從一開始就在銀河系內部形成，而非從外部進入的可能性。
Terzan 5 中毫秒脈衝星特別多的原因也可以聯絡這種起源來理解。要大量製造毫秒脈衝星，首先必須有大量中子星。為此，早期 Terzan 5 必須大量誕生大質量恆星並引發超新星爆炸。
其引力也必須足夠強，才能將超新星爆炸產生的中子星留在星團內。此後，在恆星密集的環境中，伴星交換和近距離相互作用反覆發生，中子星就能從新的伴星中長期獲取物質。在此過程中，旋轉速度加快的中子星便以毫秒脈衝星的形式“重生”了。
總之，Terzan 5 不僅僅是一個稍微重一點的球狀星團。它是展示銀河系中心凸起部經過何種過程形成的極其重要的化石。
目前，天文學家正在尋找其他類似 Terzan 5 的凸起部化石碎片候選者。典型的天體是距離銀河系中心約 800 秒差距的 Liller 1。在該天體中也發現了約 120 億年的古老恆星和約 10 億至 30 億年前誕生的年輕恆星。
銀河系中心凸起部中存在的一些天體，雖然迄今為止被歸類為球狀星團，但實際上很有可能是形成凸起部後尚未完全解體的原始碎片。雖然表面上是聚整合圓形的恆星集合，但內部可能殘留著難以用單一球狀星團解釋的複雜恆星誕生和化學演化歷史。
最近的研究正從多個方向改變人們對球狀星團的傳統認識。過去人們認為球狀星團是宇宙初期同時誕生的一組簡單恆星。然而，一些球狀星團是流入銀河系的矮星系殘骸，一些則可能像 Terzan 5 一樣是銀河系凸起部形成時倖存的原始化石。
還有研究提出了在部分球狀星團中心隱藏著中等質量黑洞的可能性。此外，探索暗物質在球狀星團形成和演化過程中起到何種作用的研究也在持續進行中。球狀星團已經成為了無法再單純解釋為“古老恆星集合”的天體。
歐幾里得展示的充滿 6000 多萬顆恆星的銀河系中心景象，本身就非常壯觀。但如果仔細觀察那片恆星之海，就會發現銀河系形成時期的痕跡在各處都有殘留。
宇宙最古老的秘密並不總是存在於宇宙的最深處。有時，它們隱藏在被無數星光和塵埃雲遮擋的銀河系中心。Terzan 5 就是懷揣著銀河系的童年直到現在倖存下來的化石碎片。我們注視那些恆星，實際上就是在注視銀河系初具規模時期的殘骸。
參考
https://science.nasa.gov/asset/webb/bulge-fossil-fragment-terzan-5-webb-and-hubble-image/