银河系史册：揭开银河系早期形成之谜 | 赛先生天文
导读：
撰文 | 李双、王丹（lamost运行和发展中心）
责编 | 韩越扬、吕浩然
图1：在青海冷湖拍摄到的银河，摄影：邓李才
我们所在的银河系是无数宇宙岛中一个普通盘星系代表，和其它类似星系一样，它集结了上千亿颗恒星。这些恒星大致分布在几个特征结构之中，最主要的几个结构是居于银河系中心的核球，扁平状的银盘和包裹着银盘的银晕，其中，银盘实际上又包括一个几何上相对较厚的厚盘和一个几何上相对较薄且更延展的薄盘。厚盘主要处于银河系内部，从切向看上去呈橄榄球状，这里是老年恒星的活动中心。薄盘则如夹心饼一样从内部往两端延展且边缘逐步增厚，这里是气体、尘埃和年轻恒星的聚集地。银盘的外围被球状结构的银晕包裹着，这里地广星稀，别是一番风景（图2）。
图2：银河系结构示意图，红色的是核球，亮绿色和蓝色的分别是银河系的薄盘和厚盘，图片来源：向茂盛
从诞生伊始到今天，银河系已过百亿高龄。那么，在过去的一百多亿年间，银河系都经历了什么精彩故事，才逐步形成了今天我们看到的银晕、厚盘、薄盘等这一系列特征结构？这些关于银河系形成与演化的起源问题是天文学最重要的前沿课题之一，也是世界范围内多个地面和空间望远镜大规模天文巡天观测计划的主要科学目标。追溯银河系经历过的真实故事，还原其成长历程也成为了天文学家完成星系远航的首场任务。
传统认知通常认为，我们的银河系在婴儿时期（极早期）经历了较为剧烈的形成过程。首先，大量的贫金属气体塌缩（天文上把除氢和氦以外的元素都叫做金属）或者是富含气体的星系间相互碰撞并合形成了银河系的恒星晕。然后，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。然而很大程度上而言，这些演化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。所幸天文观测大数据的涌现使得银河系演化图像正在被还原，开启银河尘封历史的时代已经到来。
最新恒星年龄巨型图
银河系是星系考古学研究的重点实验室，而恒星又是银河系考古的天然化石：恒星表面的化学元素含量完整记录了其诞生时的银河系星际环境的化学组成；恒星运动相似性也为天文学家破解恒星起源问题提供了重要线索。因此实现对银河系集成和演化全面认识的关键则需要获取银河系中足够多、分布足够广、足够有代表性的恒星位置、运动、年龄及化学组成等信息。
利用lamost开展的银河系光谱巡天是目前正在运行的世界上最大的恒星光谱巡天项目，过去10年间已获取上千万条恒星光谱，为揭示银河系结构和演化提供了史无前例的光谱数据基石。欧空局发射的gaia卫星则为天文学家提供了14亿颗恒星的高精度位置和移动地图。这成为天文学家开启银河尘封历史的密钥。
图3：lamost与gaia，图片来源：lamost运行和发展中心
作为银河系考古学研究的前提，恒星年龄是最难以精确获取的信息，也可以说是天文学领域最难精确测定的物理量之一。恒星年龄无法直接测量，而只能通过将实测恒星基本参数与理论恒星演化模型进行对比的方式进行估算。因此年龄测定精度取决于实测恒星参数的精度和恒星所处的演化阶段。依托光谱分析提供的高精度恒星大气参数（有效温度、表面重力和金属丰度）估计恒星年龄是目前测定恒星年龄最为有效的方式。近几年来，大规模光谱巡天观测提供的大样本恒星年龄促使银河系考古学研究实现迅速发展，而lamost光谱巡天则是该方向的主要探路者和领航人。
然而，之前的研究所获取的大样本恒星典型年龄误差在20%以上，而年龄误差小于10%恒星样本很小，样本的空间和参数范围也十分受限。亚巨星是指处于恒星由主序演化阶段向红巨星演化阶段过渡的演化阶段的恒星。在这个演化阶段恒星的可观测参数，尤其是光度对于其初始质量和年龄较为敏感，因此这些恒星的年龄相对容易被精确测定。但是恒星在亚巨星阶段的演化十分迅速，导致亚巨星比较稀少，筛选和构建大样本的亚巨星需要大规模的巡天观测普查。
向茂盛博士和hans-walter rix教授依托lamost巡天光谱数据获取了700万颗恒星的高精度大气参数，并利用gaia巡天数据得到高精度的恒星光度和轨道运动学参数，在此基础上筛选和构建了一个包含25万颗亚巨星的精确恒星年龄样本，平均年龄精度为7%，金属丰度覆盖范围从-2.5（太阳金属含量的1/300）到0.5（太阳金属含量的3倍），空间覆盖范围达3万光年。这一样本恒星年龄测量精度是目前最高的，同时覆盖的空间和金属丰度范围也很大，为精细刻画银河系结构提供了很好的数据基础。
根据运动特性和金属元素含量的不同，这25万颗恒星被研究作者分成两组：一组形成于动力学相对宁静过程的薄盘恒星；另一组形成于动力学剧烈湍动过程的银晕和厚盘恒星。以它们作为研究对象，天文学家刻画了一幅清晰的早期银河系形成和演化图像，从年老厚盘到银晕，再到夹心薄盘的银河成长历程在时光的流转中逐一被还原。
图4：银河全景图，图片来源：esa-gaia-dpac
厚盘老星高寿几许？
138亿年前，大爆炸之后宇宙诞生，若干年之后出现了银河系雏形，古老的恒星开始聚集形成了银河的厚盘地段，这里的居民基本上都是清一色的土著老星。厚盘老星高寿几许？《自然》文章作者通过分析获取的这幅银河超高时间分辨率演化图像发现银河系厚盘恒星于130亿年以前就已经开始形成，这距离宇宙大爆炸仅仅过去8亿年时间（对应的宇宙学红移为7）。这与哈勃（hubble）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。
然而，我们目前还不清楚在极其遥远的宇宙深处是否普遍存在跟早期银河系类似的星系，即那些早已失散了的银河系儿时伙伴。或许就在不久的将来，正在地日拉格朗日点l2轨道上开展紧锣密鼓测试的詹姆斯·韦布（james webb）望远镜将会给出答案。最古老的厚盘星甚至要比银河系内晕恒星年长约20亿年。也就是说，早期厚盘要比今天我们看到的主要银晕结构领先20亿年形成，这刷新了对银河系早期形成历史的传统认知。
经进一步研究，文章作者还发现厚盘的形成持续了大约50亿年时间（从130亿年前到80亿年前）。这个过程中星际介质和恒星的金属元素含量增加了30倍。不仅如此，由于形成恒星的气体高度湍流，恒星死亡所产生和抛射出的金属元素被迅速扩散到整个厚盘的各个角落，从而使得在这个过程中任何一个特定时刻形成的所有厚盘恒星——无论在哪个位置形成——都具有几乎相同的金属丰度（这与形成于动力学宁静过程的薄盘的情形非常不同）。
然而令人惊讶的是，虽然厚盘的形成过程持续了50亿年，但数据显示大多数厚盘恒星却形成于110亿年前的一次集中爆发。这又是什么原因？这个时间点发生了什么？
银河晕星的动荡之年
2018年，一项基于gaia卫星巡天和地面光谱巡天数据的研究发现，大部分银晕恒星的运动状态与早期人们的预测非常不一致，而且银晕中这些恒星的化学dna（金属含量）与矮星系类似，而与银河系本地恒星大不相同。这表明大多数银晕恒星都来自一个矮星系,也引出了银河系历史上一段不为人知的动荡过去：百手巨人恩塞拉都斯矮星系（gaia-sausage-enceladus，gse）曾与青少年时期的银河系发生过碰撞，随后被银河系吃干吸收，形成银晕主体。
后来的恒星化学运动学研究进一步表明，银晕中的绝大部分恒星主要是靠吸积数量众多的矮星系而来，其中gse碰撞银河系是最主要的吸积并合事件，贡献了大约2/3的银晕恒星。因此银晕中这些移民恒星曾经的家园应该是这个古老的矮星系，这次碰撞事件也成为揭开银河系谜团的一个重要线索。
图5：银河系与矮星系碰撞示意图，图片来源: instituto de astrofísica de canarias
天文学家一直很难确定这次gse撞击事件的确切时间，之前研究推测它约在80～100亿年前与银河系碰撞。2019年西班牙加那利天体物理研究所的一项新研究推测gse是在100亿年前与银河系相撞的。然而，最新研究获取的这幅银河早期演化图像给出了碰撞事件更准确的时间点大约是在110亿年前，这比之前认为的早了10亿年。
更重要的是，gse于110亿前撞击了早期银河系，而厚盘的恒星形成活动也在110亿前年达到峰值。这两个年龄高度吻合，论文研究作者认为，这绝非偶然的巧合，而是暗示了厚盘的恒星形成活动受到了gse撞击事件的显著激发，场景仿佛历历在目。
之前人们发现了gse撞击银河系事件，但是撞击之前的银河系长什么样？该撞击事件又对它产生了什么影响？由于缺乏实锤证据，这些问题的答案不得而知。而最新的这项研究为早期银河系以及gse撞击事件提供了一幅清晰图像。
夹心薄盘风华正茂
这25万颗恒星不仅在归属上表征为两组，一组属于银晕和厚盘，另一组则来自薄盘。巧合的是，它们的年龄以大约80亿年为界也被清晰地分成截然不同的两组。这意味着从时间轴上看，银河系的集成和演化历史分成两个明确的阶段：从130亿年前到80亿年前的早期阶段以及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，晚期阶段则形成了银河系薄盘。
较为年轻的薄盘从80亿年前开始逐渐长成今天像夹心饼一样向两端不断变大、变胖的样子。这个过程整体上是比较平稳和枯燥的，但也不乏精彩的故事，其中最为精彩的一篇可能要数恒星移民了。薄盘的成长过程见证了大规模的恒星移民事件，那些形成于更靠近银河系中心的内部银盘区域的恒星经过漫长的迁徙到达今天的太阳邻域空间（距离银河系中心约25000光年）。
因为恒星形成与演化活动更加活跃的原因，这些形成于内部银盘的恒星有着异常高的金属含量，因此它们比较容易地就被天文学家通过观测数据识别出来。同样，太阳邻域也有相当一部分恒星移民来自外部银盘区域，相比本地恒星，这些来自外部的恒星金属含量更低，也比较容易被证认出来。正所谓夹心薄盘风华正茂，万千恒星川流不息，为银河千秋伟业拓土开疆，岂不是足够精彩？
此外，在过去的80亿年间星系并合事件实际上一直在上演，其中最广为人知的并合遗迹可能要数人马座星流（sagittarius stream），而大小麦哲伦云也将在不久的将来被银河系吞噬和消化。但整体而言，这些事件估计只能算得上是小并合事件，其影响恐怕难以跟早期的gse撞击事件相媲美。
至此，一个较为清晰的银河系早期形成和演化图像得以建立，这也是天文学家从时间轴上刻画的最为精确和完整的银河系形成历史的壮丽画卷。
千百年来，人们为了认识这广袤银河和浩瀚宇宙的奥秘，从未停止过探索的脚步。如今，瞄向宇宙的观天巨眼正助力科学家逐步看清银河早期的形成演化历史，翻开了银河史册的重要篇章。作为盘星系的普通代表，银河系史册将成为天文学家理解星系形成和演化，追溯从极早期宇宙一直到今天所发生精彩故事的经典之作。精彩还在继续，让我们共同期待。
图6：银河系形成历史示意图：138亿年前宇宙大爆炸，130亿年前厚盘出现，110亿年前银晕形成、厚盘显著成长，80亿前厚盘形成停止、薄盘开始形成并持续至今，图片来源：喻京川
图7：3月24日刊《自然》杂志封面——追星人的银河指南，图片来源：文献[2]
作者简介
李双，lamost运行和发展中心宣传主管；王丹，lamost运行和发展中心办公室主任。
参考文献：
[1] 康德，《实践理性批判》
[2] “a time-resolved picture of our milky way’s early formation history”, maosheng xiang and hans-walter rix, doi: 10.1038/s41586-022-04496-5
[3] “the merger that led to the formation of the milky way's inner stellar halo and thick disk”, helmi, a. et al., nature, volume 563, issue 7729, p.85-88
[4] “co-formation of the disc and the stellar halo”, belokurov, v. et al., monthly notices of the royal astronomical society, volume 478, issue 1, p.611-619
[5] ” evidence from the h3 survey that the stellar halo is entirely comprised of substructure”, naidu, rohan p., et al. the astrophysical journal, volume 901, issue 1, id.48, 32 pp.
[6] “the milky way’s most recent meal was a galaxy it gobbled up 8-10 billion years ago”, brian koberlein, universe today-space and astronomy news,2022.1
https://www.universetoday.com/154007/the-milky-ways-most-recent-meal-was-a-galaxy-it-gobbled-up-8-10-billion-years-ago/.
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