科技日報記者 陸成寬

千百年來，人們為了揭開廣袤銀河和浩瀚宇宙的奧秘，從未停止過探索的腳步。

3月24日，《自然》以封面文章的形式發布了一項銀河系研究的重要進展。基于中科院國家天文臺運行的郭守敬望遠鏡（LAMOST）和歐洲航天局蓋亞太空望遠鏡（Gaia）的巡天觀測數據，研究人員獲取了迄今最為精確的大樣本恒星年齡信息，并按照時間順序，“繪制”了銀河系幼年和青少年時期的形成與演化圖像，刷新了人們對銀河系早期形成歷史的認知。

3月24日 《自然》雜志封面

一系列起源問題都是待解的謎團

夜空中美麗浩瀚的銀河，自古以來就引發了人們無盡的想象。

銀河系在過去的一百多億年間集成了上千億顆恒星，它的基本結構包括銀河中心的核球、銀暈和銀盤，而銀盤又包括厚盤和薄盤。

然而，銀河系的銀暈和銀盤什么時候形成的？如何形成的？又是怎樣組裝起來并演化成今天絢麗多姿的銀河系的？

“這一系列起源問題一直是亟待天文學家解決的科學謎團，同時也是世界范圍內多個地面和空間望遠鏡大規模巡天觀測計劃的主要科學目標。”論文通訊作者、德國馬普天文研究所研究人員向茂盛博士表示。

過去的研究通常認為，我們的銀河系在嬰兒時期經歷了劇烈的形成過程。首先，大量的貧金屬氣體塌縮或者富含氣體的星系相互碰撞和并合形成了銀河系的恒星暈。然后，這些氣體逐漸冷卻，形成了早期銀盤即銀河系厚盤。最后，隨著時間推移，氣體進一步冷卻，開始形成銀河系薄盤。

“薄盤的形成是一個持久而有序的過程，從大約80-100億年前一直持續至今。”向茂盛介紹。

然而，“這些過程的圖像主要來自數值模擬以及人們對碎片化觀測證據的推測，需要進一步證實和完善。”向茂盛表示。

銀河系形成和演化可分早晚兩階段

幸運的是，天文觀測大數據的涌現使得銀河系的演化圖像正在被改寫，開啟銀河塵封歷史的時代已經到來。

LAMOST發布了千萬量級的恒星光譜數據，Gaia衛星則提供了14億顆恒星的高精度位置和移動地圖。“這樣的珠聯璧合為天文學家追溯銀河系的形成和演化歷史提供了得天獨厚的條件。”向茂盛感慨道。

基于LAMOST和Gaia的數據，研究人員構建了包含25萬顆恒星的高質量數據樣本，并獲取了它們的精確年齡和金屬豐度。

向茂盛表示，這是首次在銀河系廣闊的空間范圍和恒星金屬豐度范圍內，獲取數量如此之多、目前年齡精度最高的恒星大樣本，成功突破了數據的局限性，為開展銀河系的形成與演化歷史研究跨出了標志性的一步。

研究發現，從時間上看，銀河系的形成和演化歷史可以分成兩個明確階段：從130億年前到80億年前的早期階段和80億年前至今的晚期階段。早期階段形成了銀河系的厚盤和銀暈，晚期階段形成了銀河系薄盤。

“銀河系厚盤恒星從130億年以前就已經開始形成，距離宇宙大爆炸僅僅過去8億年。這與哈勃空間望遠鏡目前能夠探測到的最遙遠星系所出現的時間相當。”向茂盛說，早期厚盤要比今天我們看到的主要恒星銀暈結構約早20億年形成，這刷新了對銀河系早期形成歷史的傳統認知。

銀河早期集成和演化圖像示意圖：138億年前宇宙大爆炸，130億年前厚盤開始形成，110億年前銀暈形成，80億前至今銀河薄盤形成。（圖源：喻京川）

第一次清晰描繪銀河系形成歷史

經過進一步研究，向茂盛等人發現，厚盤的形成從130億年前一直持續到80億年前，共約50億年，期間金屬元素含量增加了30倍。然而，“雖然這個周期持續了50億年，但是我們還發現大多數厚盤恒星卻形成于約110億年前的一次集中爆發。”向茂盛說。

與此同時，通過年齡數據，研究人員發現，大約110億年前，百手巨人恩塞拉都斯矮星系（GSE）曾與青少年時期的銀河系發生過碰撞。“這比前人認為的早了10億年。”

向茂盛說，“這兩個時間高度吻合，我們認為絕非偶然，而是強烈暗示：矮星系GSE撞擊事件對厚盤的恒星形成活動影響顯著。”

形成厚盤恒星的氣體大約在80億年前耗盡，厚盤形成停止。差不多與此同時，新的氣體開始從銀河系周圍聚集到一個更薄的盤上，銀河系薄盤逐漸長成今天像夾心餅一樣向兩端不斷變大、變胖的樣子，薄盤形成過程一直持續至今。

至此，一個時間軸上被精確刻畫的早期銀河系形成和演化圖像得以呈現。“把銀河系形成過程中發生的一系列重要事件放在精確的時間軸上，形成詳細的銀河系史冊，這對于我們認識和理解我們所在的這個星系的集成和演化歷史是非常重要的，這也是目前這個工作的關鍵意義所在。”向茂盛強調。

受《自然》雜志邀請，審稿人蒂莫西·比爾斯為該研究撰寫了評論文章。他表示，該研究通過一種創新的方法來估計恒星的出生日期（年齡），成功地幫助我們更好地了解我們的銀河系是如何形成的；而且這種方法是可擴展的，隨著銀河系中更大樣本恒星的數據變得可用，這張圖片將變得更加清晰。

（文中圖片由中科院國家天文臺提供）

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