揭開塵封“成長(zhǎng)史” 銀河系形成和演化可分早晚兩階段

千百年來，人們?yōu)榱私议_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(fā)布了一項(xiàng)銀河系研究的重要進(jìn)展。基于中科院國(guó)家天文臺(tái)運(yùn)行的郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)和歐洲航天局蓋亞太空望遠(yuǎn)鏡(Gaia)的巡天觀測(cè)數(shù)據(jù)，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(shí)間順序，繪制了銀河系幼年和青少年時(shí)期的形成與演化圖像，刷新了人們對(duì)銀河系早期形成歷史的認(rèn)知。

一系列起源問題都是待解的謎團(tuán)

夜空中美麗浩瀚的銀河，自古以來就引發(fā)了人們無盡的想象。

銀河系在過去的100多億年間集成了上千億顆恒星，它的基本結(jié)構(gòu)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是什么時(shí)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(xué)家解決的科學(xué)謎團(tuán)，同時(shí)也是世界范圍內(nèi)多個(gè)地面和空間望遠(yuǎn)鏡大規(guī)模巡天觀測(cè)計(jì)劃的主要科學(xué)目標(biāo)。”論文通訊作者、德國(guó)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(rèn)為，我們的銀河系在嬰兒時(shí)期經(jīng)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(shí)間推移，氣體進(jìn)一步冷卻，開始形成銀河系薄盤。

“薄盤的形成是一個(gè)持久而有序的過程，從大約80億—100億年前一直持續(xù)至今。”向茂盛介紹。

然而，“這些過程的圖像主要來自數(shù)值模擬以及人們對(duì)碎片化觀測(cè)證據(jù)的推測(cè)，需要進(jìn)一步證實(shí)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(yùn)的是，天文觀測(cè)大數(shù)據(jù)的涌現(xiàn)使得銀河系的演化圖像正在被改寫，開啟銀河系塵封歷史的時(shí)代已經(jīng)到來。

LAMOST發(fā)布了千萬量級(jí)的恒星光譜數(shù)據(jù)，Gaia衛(wèi)星則提供了14億顆恒星的高精度位置和移動(dòng)地圖。“這樣的珠聯(lián)璧合為天文學(xué)家追溯銀河系的形成和演化歷史提供了得天獨(dú)厚的條件。”向茂盛感慨道。

基于LAMOST和Gaia的數(shù)據(jù)，研究人員構(gòu)建了包含25萬顆恒星的高質(zhì)量數(shù)據(jù)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(nèi)，獲取數(shù)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(shù)據(jù)的局限性，向開展銀河系的形成與演化歷史研究跨出了標(biāo)志性的一步。

研究發(fā)現(xiàn)，從時(shí)間上看，銀河系的形成和演化歷史可以分成兩個(gè)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(jīng)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(yuǎn)鏡目前能夠探測(cè)到的最遙遠(yuǎn)星系所出現(xiàn)的時(shí)間相當(dāng)。”向茂盛說，早期厚盤要比今天我們看到的主要恒星銀暈結(jié)構(gòu)大約早20億年形成，這刷新了對(duì)銀河系早期形成歷史的傳統(tǒng)認(rèn)知。

第一次清晰描繪銀河系形成歷史

經(jīng)過進(jìn)一步研究，向茂盛等人發(fā)現(xiàn)，厚盤的形成從130億年前一直持續(xù)到80億年前，共約50億年，其間金屬元素含量增加了30倍。“雖然這個(gè)周期持續(xù)了50億年，但是我們發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)厚盤恒星卻形成于約110億年前的一次集中爆發(fā)。”向茂盛說。

與此同時(shí)，通過年齡數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)，大約110億年前，百手巨人恩塞拉都斯(GSE)矮星系曾與青少年時(shí)期的銀河系發(fā)生過碰撞。“這比前人認(rèn)為的早了10億年。”

向茂盛說：“這兩個(gè)時(shí)間高度吻合，我們認(rèn)為絕非偶然，而是強(qiáng)烈暗示：矮星系GSE撞擊事件對(duì)厚盤的恒星形成活動(dòng)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(shí)，新的氣體開始從銀河系周圍聚集到一個(gè)更薄的盤上，銀河系薄盤逐漸長(zhǎng)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(xù)至今。

至此，一個(gè)時(shí)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(xiàn)。“把銀河系形成過程中發(fā)生的一系列重要事件放在精確的時(shí)間軸上，形成詳細(xì)的銀河系史冊(cè)，這對(duì)于認(rèn)識(shí)和理解我們所在的這個(gè)星系的集成和演化歷史是非常重要的，這也是目前這個(gè)工作的關(guān)鍵意義所在。”向茂盛強(qiáng)調(diào)。

受《自然》雜志邀請(qǐng)，審稿人蒂莫西·比爾斯為該研究撰寫了評(píng)論文章。他表示，該研究通過一種創(chuàng)新的方法來估計(jì)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(kuò)展的，隨著銀河系中更大樣本恒星的數(shù)據(jù)變得可用，這張圖片將變得更加清晰。(記者陸成寬)

關(guān)鍵詞： 揭開塵封成長(zhǎng)史 銀河系形成演化圖 德國(guó)馬普天文研究所 銀河系的銀暈和銀盤