Tittar upp mot stjärnhimlen, det djupa universum verkar tyst och mystiskt. Det är svårt att föreställa sig att den antika dvärggalaxen Enceladus våldsamt kolliderade och slets sönder av vår egen Vintergatans galax, lämnar efter sig ropen från en helt ny generation barn från den hundrahänta jätten.

Nyligen, SCIENCE KINA:Fysik, Mekanik och astronomi publicerade en (Editor's Focus) artikel med titeln "Låg-α-metallrika stjärnor med korvkinematik i LAMOST-undersökningen:Är de från Gaia-Sausage-Enceladus Galaxy?" medförfattare av Gang Zhao och Yuqin Chen, forskare från National Astronomical Observatories, kinesiska vetenskapsakademin. Artikeln skildrar den slingrande processen av hur dvärggalaxen Gaia-Sausage-Enceladus (GSE) mystiskt försvann i en stor sammanslagningshändelse som inträffade för länge sedan i Vintergatans tidiga historia, och berättar historien om hur författarna söker efter sina medlemsstjärnor via en flervägsutforskningsmetod. Samtidigt, två kommentarer av Prof. Yipeng Jing från Shanghai Jiao Tong University och Prof. Zhanwen Han från Yunnan Observatory publicerades.

Dansar med vargar – GSE:s anhopning vid Vintergatan

I den kosmiska familjen, det finns massiva galaxer som Vintergatan och Andromedagalaxen, men fler är dvärggalaxmedlemmar som Skytten, de magellanska molnen, och GSE. I sin långa evolutionära historia, Vintergatan har ständigt interagerat, kolliderar, och slutligen smälter samman med närliggande dvärggalaxer, leder till bildandet av många understrukturer. Under 2018, Europeiska rymdorganisationens Gaia-satellit upptäckte den så kallade "Gaia-Sausage"-strukturen i hastighetsrymden, som är skräpet från GSE-dvärggalaxen efter att ha "dansat" med Vintergatan. Numeriska simuleringar har avslöjat att GSE-dvärggalaxen frontalkolliderade med Vintergatan och begravdes djupt inne i Galactic Center för 10 miljarder år sedan. Den starka slagkraften i den största stänk "uppvärmda" skivan stjärnor upp till den galaktiska halo, över 4 kpc från det galaktiska planet. Detta är den största fusionshändelsen i Vintergatans antika historia. Denna upptäckt är en milstolpe inom forskningsområdet galaxbildning och evolution.

Att vara på väg mot döden-GSE Merger ger ny vitalitet i galaxen

Efter att GSE dvärggalaxen föll i Vintergatan, denna familj var helt upplöst, och det är svårt att hitta dess medlemsstjärnor i rymden. På jakt efter dessa saknade medlemsstjärnor, Prof. Gang Zhao föreslog en flervägsutforskning av GSE-skräpet baserat på LAMOST-undersökningen, som öppnade en ny väg för att hitta de sammanslagna avtrycken i hastighetsrymden, orbital utrymme, och kemiskt utrymme genom att kombinera krafterna från två stora spektrala och astrometriska undersökningar. Baserat på data från LAMOST och Gaia, han och hans kollega valde ut möjliga GSE-medlemsstjärnor i hastighetsrymden. Sedan antog de kemiska överflöd som ett DNA-test för medlemskapsidentifiering, eftersom den kemiska sammansättningen inte varierar med stjärnornas positioner eller rörelser. Totalt, de identifierade 1534 låg-α-metallrika medlemsstjärnor av GSE bland de 8 miljoner stjärnorna från LAMOST-data. Detta är den första upptäckten av en låg-α-metallrik komponent i GSE-galaxen. Denna nyupptäckta komponent sträcker sig naturligt från den tidigare upptäckta metallfattiga komponenten.

De beräknade rumsfördelningar och uppskattade åldern på dessa medlemsstjärnor. Förvånande, stjärnorna är unga, men nå till 4 kpc över det galaktiska planet. Sedan GSE-fusionen inträffade för 10 miljarder år sedan, när dessa medlemsstjärnor inte ens föddes, det är omöjligt att "stänk"-processen skulle kunna få skivstjärnor till så höga positioner. Detta orsakade tvivel om den tidigare bilden av GSE-sammanslagningsprocessen. Zhao och Chen föreslog att dessa låg-α-metallrika medlemsstjärnor inte hade genomgått stänkprocessen utan var nybildade från den metallrika gasen från GSE-sammanslagningen under efterföljande utveckling. Detta förslag överensstämmer med den hydrodynamiska simuleringen av Amarante et al. som producerar bimodal diskkemi. Observationsmässigt, detta arbete bevisar att GSE-dvärggalaxen är en klumpig Milky-Way-liknande analog, som uppdaterar vår förståelse av den kemiska utvecklingen av GSE-galaxen.

Sammanslagningen av GSE är till och med väsentlig för Vintergatans utveckling. Det tog inte bara in GSE-medlemsstjärnor med en annan kemisk sammansättning, men också förändrat fördelningen av stjärnor i Vintergatan. Vad mer, det förde metallrik gas och utlöste ny stjärnbildning, utstrålar ny vitalitet i Vintergatan.

Lovande framtid – gå samman för att bygga Vintergatan hem och mars mot Andromedagalaxen

För att verifiera den bimodala skivkemin i GSE-galaxen, författarna studerade fördelningen i omloppsutrymmet för GSE-metallrika medlemsstjärnor som delar samma hastighet men olika kemi. Det har visat sig att både hög-α och låg-α metallrika stjärnor uppvisar samma klumpar och remsor, vilket antyder att de alla är samlade från GSE och svarar på den galaktiska gravitationspotentialen på samma sätt. Intressant, den täta remsan vid Zmax=3-5 kpc bildar en tydlig skiva-halo-övergång vid 4 kpc från det galaktiska planet.

Hur bildade GSE-fusionen denna övergång? Detta beror på den observationseffekt som orsakas av den unika hastigheten hos GSE-medlemsstjärnorna under påverkan av Vintergatans gravitationspotential. Eftersom GSE-medlemmar har nästan noll rotation och deras vertikala hastigheter vid Zmax (den högsta punkten i deras banor) också är noll, de tillbringar längre tid vid Zmax än vid andra positioner (hastighet som inte är noll), leder till en hög med stjärnor vid |Z|~ 4 kpc. Det är precis som bilar på motorvägen. När du har fastnat i en bilkö, hastigheten är mycket låg, och du kan se många bilar samlade, medan få bilar visas på en given plats där hastigheten är hög. Eftersom ett stort antal GSE-medlemsstjärnor har Zmax=3-5 kpc, vi observerar en region med hög densitet vid |Z|~4kpc. Eftersom deras radiella hastigheter varken är noll eller identiska, det vi ser är inte en klump, men en lång remsa.

Varför kan inte denna disk-halo-övergång orsakas av andra dvärggalaxer? Övergången beror inte bara på dvärggalaxens hastighetsegenskaper och massa, men också Vintergatans massa och tidpunkten då sammanslagningen inträffade. Eftersom GSE roterar med noll hastighet och frontalkolliderar med Vintergatan, samt reagerar kontinuerligt på Vintergatans gravitationspotential, dess medlemsstjärnor visar denna unika orbitalfunktion. Andra dvärggalaxer producerade troligen klumpar någon annanstans. Till exempel, Sagittarius dvärggalax slogs samman med Vintergatan vid en lägre lutning, och deras medlemsstjärnor samlade sig vid höjdpunkten av deras banor med cirka 30 kpc, som anses vara övergången mellan Vintergatans inre och yttre gloria. Eftersom andra dvärggalaxer inte har GSE:s omloppsegenskaper och inte bidrar till |Z|=4 kpc-övergången, vi drar slutsatsen att det är ett avtryck som endast lämnats av GSE-fusionen.

I decennier har 4 kpc använts som disk-halo-övergången utan att veta orsaken till dess bildande. Detta är första gången att avslöja den fysiska mekanismen genom vilken GSE-sammanslagningshändelsen orsakar den uppenbara separationen av den galaktiska halo och skiva vid 4 kpc. Det är en sann skildring av den hundrahänta jättens (GSE:s) barn som arbetar tillsammans för att bygga vårt Vintergatans hem.

Över tid, ättlingarna till GSE och de galaktiska invånarna slogs samman och blev omöjliga att särskilja i sin position, kinematisk, och kemiskt utrymme. Under gravitationens attraktion, de marscherar mot den avlägsna Andromedagalaxen. Enligt den senaste numeriska simuleringen, våra framtida generationer kommer att kunna bevittna den spektakulära kollisionen mellan de två stora galaxerna på nära håll om 4 miljarder år. Så småningom, vår Vintergatan och Andromeda kommer att smälta samman för att bli en ny galax, men vårt solsystem förväntas överleva i denna fusionshändelse.

Det framtida 2-meters China Space Station Telescope (CSST) har stora fördelar i det systematiska sökandet efter avtryck som GSE lämnat och i studiet av interaktioner mellan Vintergatan och Andromedagalaxen. Om du är intresserad av fler berättelser om galaxkollisioner och sammanslagningar, håll utkik efter ytterligare avslöjanden från CSST-projektet i framtiden.