[비즈한국] 最近，欧几里得（Euclid）空间望远镜拍摄的银河系中心超高分辨率图像公开了。这是迄今为止用可见光拍摄的银河系中心照片中，最广阔且精细的图像之一。公开的高分辨率文件大小约为 27000×22500 像素，相当于约 6 亿像素。它在天空中所占的面积比从地球上看到的 20 多个月亮合起来还要大。
仅在这张照片中，就包含了超过 6000 万颗恒星。星云、星团、黑色尘埃云，以及新恒星诞生的区域，都隐藏在各个角落。这一场景展示了我们通常所说的“银河”那条微弱的光带，实际上是由多么庞大的恒星、尘埃和气体组成的结构。
欧几里得空间望远镜最初并非为观测银河系而设计。它是为了寻找暗物质和暗能量的痕迹，被设计用于观测银河系之外遥远宇宙的星系。然而，这一次它将目光投向了近处的宇宙，注视着恒星最密集的银河系中心。
这张照片汇集了从 3 月 23 日开始，分九次、历时约 26 小时的观测成果。通过拼接每一张单独拍摄的照片，最终完成了一张巨大的马赛克图像。即使是每一张单独的照片，其覆盖的天空范围也比满月还要大。
欧几里得的可见光相机分辨率与哈勃空间望远镜的广角相机相当，但它单次拍摄覆盖的天空面积比哈勃大 270 倍左右。如果用地面大型望远镜观测同一区域，可能需要近 2000 小时。
欧几里得拍摄的银河系中心图像，也是未来即将发射的其他空间望远镜的重要参考资料。南希·格雷斯·罗曼（Nancy Grace Roman）空间望远镜计划在大规模范围内探测银河系中心由外星行星引起的微引力透镜现象。
微引力透镜是指当外星行星或恒星等天体经过遥远的背景恒星前方时出现的一种现象。前方天体的引力使周围的时空发生扭曲，从而放大了背景恒星的光，导致恒星的亮度暂时发生变化。通过分析这种亮度变化，不仅可以推断外星行星的存在，还能估算其质量。
欧几里得拍摄的图像中已经包含了约 50 个已知的外星行星系统。这张图像成为了记录微引力透镜现象发生前背景恒星位置和亮度的基准资料。经过一段时间后，通过与罗曼空间望远镜的观测进行对比，可以测量恒星的固有运动，并更准确地将起透镜作用的天体与遥远的背景恒星区分开来。
在微引力透镜观测中，背景恒星越多越有利，因为起透镜作用的天体经过背景恒星前方的可能性会随之增加。实际上，利用微引力透镜探测外星行星的项目，主要目标就是恒星密集的银河系中心。
然而，在银河系中心方向，还隐藏着比外星行星更古老的秘密。在银河系中心凸起部（Bulge）内部，有一个名为 Terzan 5 的天体。表面上看，它就像是一个无数恒星聚集成球状的普通球状星团，但最近的精密观测表明，Terzan 5 的历史可能与普通的球状星团截然不同。
球状星团通常是极其古老的恒星聚集成球形的集合体，数十万到数百万颗恒星密集在狭小的空间内。大部分恒星诞生于约 100 亿到 130 亿年前。因此，球状星团被称为宇宙初期形成的“银河系化石”。
传统上，球状星团内的恒星被认为是几乎在同一时间从一个巨大的气体云中诞生的“兄弟星”。最近，随着在多个球状星团中发现两代以上的恒星，多恒星族（Multiple Stellar Populations）的概念逐渐确立。无论如何，球状星团一直被认为是一个比银河系简单得多的恒星集合体。
Terzan 5 长期以来也被视为这样的球状星团之一。该天体由在法国活动的亚美尼亚裔天文学家 Agop Terzan 于 1968 年发现。考虑到它是一个明亮且沉重的星团，这个发现时间算是相当晚的。
发现较晚的最大原因是位置。Terzan 5 位于银河系中心方向，距离仅约 2 千秒差距。在这个方向，背景恒星过多，遮挡星光的尘埃云也分布得非常厚。由于星光被尘埃吸收而变暗、变红的星际消光现象非常严重，观测难度极大。
据推测，Terzan 5 的质量超过太阳质量的 200 万倍，在银河系现有的球状星团中也属于相当重的类型。更令人惊讶的是，在该天体中发现的毫秒脉冲星已经超过 40 颗，近乎达到 50 颗。它是已知球状星团中拥有最多毫秒脉冲星的天体之一。
毫秒脉冲星是每秒旋转数百次的中子星，被解释为古老的中子星在从伴星汲取物质的过程中重新高速旋转的结果。在恒星密度高的球状星团中，恒星之间相互擦肩而过或交换伴星系统的情况非常频繁。Terzan 5 中毫秒脉冲星特别多的现象，证明了这里曾经是一个质量极大且环境密集的场所。
然而，Terzan 5 真正的特殊性在于其恒星的化学组成。在普通的球状星团中，恒星的铁含量相对均匀，因为它们是在相似的时间从同一个气体云中诞生的，所以金属含量通常相近。
但 Terzan 5 并非如此。其代表恒星铁含量的指标 [Fe/H] 分布在约 -0.8 到 +0.3 的宽广范围内。而且，铁含量的分布并不是形成一个平缓的峰值，而是在特定的区间内恒星数量增加，出现了多个峰值。
像这样金属含量分布广泛且复杂的情况，在普通球状星团中很难见到。这意味着 Terzan 5 的恒星并非在小星团内几乎同时诞生的“同龄人”。相反，它似乎经历了与银河系中心凸起部本身相似的化学演化历史。
在同时表现恒星颜色和亮度的色-星等图中也出现了同样的线索。恒星在大部分寿命期间处于主序阶段，年老后会离开主序。因此，如果不同时期诞生的恒星共同存在，那么离开主序的位置——主序转向点（Turn-off point）——也会因代际而异。
此前，利用哈勃空间望远镜和欧洲南方天文台的甚大望远镜（VLT）进行的观测证实，Terzan 5 中至少存在两代恒星。一代是约 120 亿年前诞生的低金属含量恒星，另一代是约 40 亿至 50 亿年前诞生的金属含量较高的恒星。相隔约 70 亿年诞生的恒星竟存在于同一个天体之中。
最近詹姆斯·韦布空间望远镜的观测表明，Terzan 5 的恒星族群远比这复杂。韦布望远镜的近红外相机 NIRCam 对 Terzan 5 进行了近红外波段观测。由于近红外光受尘埃的影响比可见光小，因此对于研究像银河系中心这样尘埃厚重的区域尤为有利。
此外，还结合了过去 20 多年累积的哈勃空间望远镜观测数据。长时间跨度的观测有利于测量恒星在天空中的固有运动，从而准确区分属于 Terzan 5 的恒星和偶然处于同一方向的凸起部背景恒星。
这一过程在银河系中心研究中至关重要。由于 Terzan 5 所在方向背景恒星极多，如果不能准确筛选出星团成员，色-星等图可能会被严重扭曲。如果混入了不属于星团的恒星，可能会显得好像存在并不真实的恒星代际。
尘埃云的影响也因位置而异。在同一观测区域内，位于尘埃密集处的恒星看起来更暗、更红。如果不正确校准这种“差分消光”，即使是年龄和化学组成相同的恒星，也可能显示为不同的群体。
研究人员利用固有运动筛选出属于 Terzan 5 的成员，并利用韦布望远镜精确的近红外观测对每一颗恒星受到的尘埃影响进行了校准。结果，完成了迄今为止最精确的 Terzan 5 色-星等图。
分析结果显示，Terzan 5 中可能混合了至少四次恒星诞生的历史。最古老且金属含量最低的一代是约 125 亿年前诞生的恒星。金属含量更高的年轻一代诞生于约 47 亿年前。此外还存在约 38 亿年前形成的另一代，并提出了约 25 亿年前可能仍在形成新恒星的可能性。
也就是说，Terzan 5 并非所有恒星同时诞生的普通球状星团。在约 125 亿年前诞生首批恒星后，47 亿年前和 38 亿年前也制造了新恒星，甚至 25 亿年前可能仍有恒星诞生。恒星诞生在数十亿年的间隔中反复发生。
在普通球状星团中很难期待这种历史。第一代的大质量恒星通过超新星爆炸后，剩余的气体会被推向星团之外。如果是质量较小的星团，仅凭几次超新星爆炸，大部分气体就会飞离引力范围。之后再也没有制造新恒星的材料，只有第一代的恒星留下并缓慢衰老。
Terzan 5 似乎不同。它初始质量足够大，引力也足够强，极有可能留住了恒星释放的气体和化学元素。由原有恒星制造的铁和重元素并未完全流失，而是保留下来成为了下一代恒星的材料。与其说它是一个小的球状星团，倒不如说它更像是一个进行了独立化学演化的巨大星系系统。
正因为如此，天文学家不把 Terzan 5 仅仅看作一个球状星团，而是将其解释为银河系中心凸起部的化石碎片。这意味着 Terzan 5 极有可能是构成银河系中心凸起部的原始“建筑基块”之一。
我们现在看到的银河系中心，可能并非从一开始就是一个平滑的单一结构。早期宇宙的银河系圆盘内气体丰富，湍流也很强。随着这种圆盘在引力上变得不稳定，可能形成了质量为太阳 1 亿到 10 亿倍的巨大气体块。
这些团块在引力相互作用下可能移动到了银河系中心。到达中心的团块彼此合并、混合，很有可能形成了凸起部。然而，并非所有团块都被完全破坏和混合。其中一些可能直到现在依然作为独立天体幸存下来。
Terzan 5 极有可能就是这样的幸存者。它可能是银河系中心凸起部形成时一同产生的原始碎片，但并未与其他团块完全合并，而是作为幸存了数十亿年的化石存在至今。Terzan 5 中残留的几代恒星和复杂的金属含量，实际上保留了银河系中心形成初期的部分历史。
我们也可以认为 Terzan 5 是在银河系外游荡后流入的矮星系残骸。因为已经有事实证明，银河系的许多球状星团实际上是过去被银河系吞噬的矮星系的核或残骸。
然而，Terzan 5 的轨道支持其内部起源而非外部起源。根据复原的轨道，Terzan 5 即使距离银河系中心最远时也仅保持在 2.8 千秒差距左右。它在不偏离银河平面太远的情况下，紧贴着银河系中心描绘出小轨道。这支持了 Terzan 5 是从一开始就在银河系内部形成，而非从外部进入的可能性。
Terzan 5 中毫秒脉冲星特别多的原因也可以联系这种起源来理解。要大量制造毫秒脉冲星，首先必须有大量中子星。为此，早期 Terzan 5 必须大量诞生大质量恒星并引发超新星爆炸。
其引力也必须足够强，才能将超新星爆炸产生的中子星留在星团内。此后，在恒星密集的环境中，伴星交换和近距离相互作用反复发生，中子星就能从新的伴星中长期获取物质。在此过程中，旋转速度加快的中子星便以毫秒脉冲星的形式“重生”了。
总之，Terzan 5 不仅仅是一个稍微重一点的球状星团。它是展示银河系中心凸起部经过何种过程形成的极其重要的化石。
目前，天文学家正在寻找其他类似 Terzan 5 的凸起部化石碎片候选者。典型的天体是距离银河系中心约 800 秒差距的 Liller 1。在该天体中也发现了约 120 亿年的古老恒星和约 10 亿至 30 亿年前诞生的年轻恒星。
银河系中心凸起部中存在的一些天体，虽然迄今为止被归类为球状星团，但实际上很有可能是形成凸起部后尚未完全解体的原始碎片。虽然表面上是聚集成圆形的恒星集合，但内部可能残留着难以用单一球状星团解释的复杂恒星诞生和化学演化历史。
最近的研究正从多个方向改变人们对球状星团的传统认识。过去人们认为球状星团是宇宙初期同时诞生的一组简单恒星。然而，一些球状星团是流入银河系的矮星系残骸，一些则可能像 Terzan 5 一样是银河系凸起部形成时幸存的原始化石。
还有研究提出了在部分球状星团中心隐藏着中等质量黑洞的可能性。此外，探索暗物质在球状星团形成和演化过程中起到何种作用的研究也在持续进行中。球状星团已经成为了无法再单纯解释为“古老恒星集合”的天体。
欧几里得展示的充满 6000 多万颗恒星的银河系中心景象，本身就非常壮观。但如果仔细观察那片恒星之海，就会发现银河系形成时期的痕迹在各处都有残留。
宇宙最古老的秘密并不总是存在于宇宙的最深处。有时，它们隐藏在被无数星光和尘埃云遮挡的银河系中心。Terzan 5 就是怀揣着银河系的童年直到现在幸存下来的化石碎片。我们注视那些恒星，实际上就是在注视银河系初具规模时期的残骸。
参考
https://science.nasa.gov/asset/webb/bulge-fossil-fragment-terzan-5-webb-and-hubble-image/