迄今最清晰形成演化图像 揭开银河系尘封的“成长史”

科技日报记者 陆成宽

千百年来，人们为了揭开广袤银河和浩瀚宇宙的奥秘，从未停止过探索的脚步。

3月24日，《自然》以封面文章的形式发布了一项银河系研究的重要进展。基于中科院国家天文台运行的郭守敬望远镜（LAMOST）和欧洲航天局盖亚太空望远镜（Gaia）的巡天观测数据，研究人员获取了迄今最为精确的大样本恒星年龄信息，并按照时间顺序，“绘制”了银河系幼年和青少年时期的形成与演化图像，刷新了人们对银河系早期形成历史的认知。

3月24日 《自然》杂志封面

一系列起源问题都是待解的谜团

夜空中美丽浩瀚的银河，自古以来就引发了人们无尽的想象。

银河系在过去的一百多亿年间集成了上千亿颗恒星，它的基本结构包括银河中心的核球、银晕和银盘，而银盘又包括厚盘和薄盘。

然而，银河系的银晕和银盘什么时候形成的？如何形成的？又是怎样组装起来并演化成今天绚丽多姿的银河系的？

“这一系列起源问题一直是亟待天文学家解决的科学谜团，同时也是世界范围内多个地面和空间望远镜大规模巡天观测计划的主要科学目标。”论文通讯作者、德国马普天文研究所研究人员向茂盛博士表示。

过去的研究通常认为，我们的银河系在婴儿时期经历了剧烈的形成过程。首先，大量的贫金属气体塌缩或者富含气体的星系相互碰撞和并合形成了银河系的恒星晕。然后，这些气体逐渐冷却，形成了早期银盘即银河系厚盘。最后，随着时间推移，气体进一步冷却，开始形成银河系薄盘。

“薄盘的形成是一个持久而有序的过程，从大约80-100亿年前一直持续至今。”向茂盛介绍。

然而，“这些过程的图像主要来自数值模拟以及人们对碎片化观测证据的推测，需要进一步证实和完善。”向茂盛表示。

银河系形成和演化可分早晚两阶段

幸运的是，天文观测大数据的涌现使得银河系的演化图像正在被改写，开启银河尘封历史的时代已经到来。

LAMOST发布了千万量级的恒星光谱数据，Gaia卫星则提供了14亿颗恒星的高精度位置和移动地图。“这样的珠联璧合为天文学家追溯银河系的形成和演化历史提供了得天独厚的条件。”向茂盛感慨道。

基于LAMOST和Gaia的数据，研究人员构建了包含25万颗恒星的高质量数据样本，并获取了它们的精确年龄和金属丰度。

向茂盛表示，这是首次在银河系广阔的空间范围和恒星金属丰度范围内，获取数量如此之多、目前年龄精度最高的恒星大样本，成功突破了数据的局限性，为开展银河系的形成与演化历史研究跨出了标志性的一步。

研究发现，从时间上看，银河系的形成和演化历史可以分成两个明确阶段：从130亿年前到80亿年前的早期阶段和80亿年前至今的晚期阶段。早期阶段形成了银河系的厚盘和银晕，晚期阶段形成了银河系薄盘。

“银河系厚盘恒星从130亿年以前就已经开始形成，距离宇宙大爆炸仅仅过去8亿年。这与哈勃空间望远镜目前能够探测到的最遥远星系所出现的时间相当。”向茂盛说，早期厚盘要比今天我们看到的主要恒星银晕结构约早20亿年形成，这刷新了对银河系早期形成历史的传统认知。

银河早期集成和演化图像示意图：138亿年前宇宙大爆炸，130亿年前厚盘开始形成，110亿年前银晕形成，80亿前至今银河薄盘形成。（图源：喻京川）

第一次清晰描绘银河系形成历史

经过进一步研究，向茂盛等人发现，厚盘的形成从130亿年前一直持续到80亿年前，共约50亿年，期间金属元素含量增加了30倍。然而，“虽然这个周期持续了50亿年，但是我们还发现大多数厚盘恒星却形成于约110亿年前的一次集中爆发。”向茂盛说。

与此同时，通过年龄数据，研究人员发现，大约110亿年前，百手巨人恩塞拉都斯矮星系（GSE）曾与青少年时期的银河系发生过碰撞。“这比前人认为的早了10亿年。”

向茂盛说，“这两个时间高度吻合，我们认为绝非偶然，而是强烈暗示：矮星系GSE撞击事件对厚盘的恒星形成活动影响显著。”

形成厚盘恒星的气体大约在80亿年前耗尽，厚盘形成停止。差不多与此同时，新的气体开始从银河系周围聚集到一个更薄的盘上，银河系薄盘逐渐长成今天像夹心饼一样向两端不断变大、变胖的样子，薄盘形成过程一直持续至今。

至此，一个时间轴上被精确刻画的早期银河系形成和演化图像得以呈现。“把银河系形成过程中发生的一系列重要事件放在精确的时间轴上，形成详细的银河系史册，这对于我们认识和理解我们所在的这个星系的集成和演化历史是非常重要的，这也是目前这个工作的关键意义所在。”向茂盛强调。

受《自然》杂志邀请，审稿人蒂莫西·比尔斯为该研究撰写了评论文章。他表示，该研究通过一种创新的方法来估计恒星的出生日期（年龄），成功地帮助我们更好地了解我们的银河系是如何形成的；而且这种方法是可扩展的，随着银河系中更大样本恒星的数据变得可用，这张图片将变得更加清晰。

（文中图片由中科院国家天文台提供）

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