撰文：安娜·弗雷贝尔 

本文作者安娜·弗雷贝尔是美国麻省理工学院的物理学助理教授。她获得了2010年美国天文学会所颁发的安妮·J·坎农（Annie J. Cannon）天文学奖。

翻译：谢懿

科学家通过对早期宇宙的计算机模拟发现，年轻的银河系曾被数千个小星系所包围，并通过吞食这些小星系得以长大。

准备观测

本文作者安娜·弗雷贝尔每年都会从美国波士顿3次往返拉斯坎帕纳斯天文台（Las Campanas Observatory）进行天文观测，希望能揭开银河系演化中尚存的一些谜题。通常，她会提前一天到达天文观测台，以便根据研究需要制定出夜间观测计划。

弗雷贝尔的研究主要集中在极为暗弱的矮星系中的恒星。这些恒星是迄今为止所发现的最年老的恒星，之所称其“古老”，是因为它们所包含的化学元素的比例泄露了这一“天机”。

在大爆炸之后，宇宙中的第一代恒星从含有氢、氦和微量锂（所有元素中最轻的几个，并且是当时宇宙中仅有的元素）的气体云中形成。随着第一代恒星的演化，恒星核心内部的核反应会形成诸如碳、氧、氮、铁这些较重的元素，并随着恒星的超新星爆炸被抛撒入太空，新一代的恒星就会从富含重元素的气体云中形成。这些重元素和锂习惯上被天文学家统称为“金属”，只有形成时间较晚的恒星才会拥有可观的金属含量。弗雷贝尔所研究的贫金属恒星都诞生于宇宙的“婴儿时期”。

恒星的“化学DNA”

某天，弗雷贝尔正为她的第一个观测夜晚做准备。她观察的第一颗恒星位于13万光年之外的矮星系，星光的颜色携带着恒星的“化学DNA”信息。要想获取这些信息，先得破译这些“DNA编码”。

克莱望远镜装备有一个高分辨率的光谱仪，可以把星光分解成一道由不同波长的光线组成的彩虹。在彩虹的不同位置上有一些叫做“吸收线”的黑色的垂直线，对应于恒星外层不同化学元素的丰度。吸收线越窄，恒星中某种特定元素的含量就越少。事实上，光谱的分辨率已经非常高，据此甚至可以知道某颗恒星上的某种化学元素有多少个原子。

弗雷贝尔在过去几年收集并分析的所有星光显示，晕星和暗弱矮星系中的恒星都具有极弱的重元素（诸如铁）吸收线。这一迹象表明，古老的晕星在化学组成上和矮星系恒星相似，只不过随着时间的流逝，银河系吞食这些近邻的矮星系，窃取它们的恒星来壮大自己。

化学分析并非银河系抢夺恒星的唯一证据。天文学家还发现银河系如今正在撕扯着人马座矮椭圆星系并将其变成环绕银河系的星流，一点一点地“吃”掉它。每一次撕扯中，都会有恒星从人马座矮星系被拽出来并进入银河系的晕中。

截至次日早上7点，弗雷贝尔顺利完成了昨天夜里对目标清单中第一颗恒星的观测，采集的数据也令其十分满意。

55分钟的观测区段

下午3点，弗雷贝尔开始准备用望远镜做更多的观测。观测恒星必须要收集到足够多的光线，以便对它的化学成分作有意义的分析。恒星越暗，就需要花费越长的时间来收集光线。从理论上说，由于目标清单上的矮星系恒星极为暗弱，需要花费10个小时的时间。

然而，随着地球的自转，拉斯坎帕纳斯天文台会转离弗雷贝尔所研究的空间区域，在一个夜间对目标矮星系恒星的观测时间只有四五个小时。为了解决这个问题，弗雷贝尔会在几个晚上连续观测同一批恒星。此外，由于不断轰击地球以及望远镜探测器的高能宇宙射线会降低数据质量。为此，弗雷贝尔把每一次观测时间控制在55分钟，并用四五个55分钟的时间区段来观测一颗恒星，然后转向下一颗位于天空中不同区域的恒星。

更多观测

计算机对银河系诞生过程的模拟显示银河系周围有大量的矮星系在绕其转动，远远超过天文学家迄今所发现的数量。其中所有明亮的矮星系都已经被天文学家观测到，而至今那些还未被揭晓的矮星系不是太过昏暗，就是离我们太远。这意味着需要利用更加犀利的观测工具才能发现它们。

令人兴奋的是，美国卡内基科学研究所（the Carnegie Institution for Science）计划在拉斯坎帕纳斯建造一架新的望远镜——主镜直径达25米，位置就在曼奎伊峰附近的山头上。这个数字接近克莱望远镜直径的4倍。具备了这么巨大的镜面及其终端的光谱仪，这架新的望远镜将可以让天文学家观测到银晕中更广袤的区域，也将更容易了解银河系成长历史中的所有片段。

本文由《环球科学》（《科学美国人》中文版）供稿，编者有删改。

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