銀河系史冊(cè)：揭開銀河系早期形成之謎 | 賽先生天文
導(dǎo)讀：
撰文 | 李雙、王丹（LAMOST運(yùn)行和發(fā)展中心）
責(zé)編 | 韓越揚(yáng)、呂浩然
圖1：在青海冷湖拍攝到的銀河，攝影：鄧?yán)畈?/span>
我們所在的銀河系是無數(shù)宇宙島中一個(gè)普通盤星系代表，和其它類似星系一樣，它集結(jié)了上千億顆恒星。這些恒星大致分布在幾個(gè)特征結(jié)構(gòu)之中，最主要的幾個(gè)結(jié)構(gòu)是居于銀河系中心的核球，扁平狀的銀盤和包裹著銀盤的銀暈，其中，銀盤實(shí)際上又包括一個(gè)幾何上相對(duì)較厚的厚盤和一個(gè)幾何上相對(duì)較薄且更延展的薄盤。厚盤主要處于銀河系內(nèi)部，從切向看上去呈橄欖球狀，這里是老年恒星的活動(dòng)中心。薄盤則如夾心餅一樣從內(nèi)部往兩端延展且邊緣逐步增厚，這里是氣體、塵埃和年輕恒星的聚集地。銀盤的外圍被球狀結(jié)構(gòu)的銀暈包裹著，這里地廣星稀，別是一番風(fēng)景（圖2）。
圖2：銀河系結(jié)構(gòu)示意圖，紅色的是核球，亮綠色和藍(lán)色的分別是銀河系的薄盤和厚盤，圖片來源：向茂盛
從誕生伊始到今天，銀河系已過百億高齡。那么，在過去的一百多億年間，銀河系都經(jīng)歷了什么精彩故事，才逐步形成了今天我們看到的銀暈、厚盤、薄盤等這一系列特征結(jié)構(gòu)？這些關(guān)于銀河系形成與演化的起源問題是天文學(xué)最重要的前沿課題之一，也是世界范圍內(nèi)多個(gè)地面和空間望遠(yuǎn)鏡大規(guī)模天文巡天觀測(cè)計(jì)劃的主要科學(xué)目標(biāo)。追溯銀河系經(jīng)歷過的真實(shí)故事，還原其成長(zhǎng)歷程也成為了天文學(xué)家完成星系遠(yuǎn)航的首場(chǎng)任務(wù)。
傳統(tǒng)認(rèn)知通常認(rèn)為，我們的銀河系在嬰兒時(shí)期（極早期）經(jīng)歷了較為劇烈的形成過程。首先，大量的貧金屬氣體塌縮（天文上把除氫和氦以外的元素都叫做金屬）或者是富含氣體的星系間相互碰撞并合形成了銀河系的恒星暈。然后，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 - 100億年前一直持續(xù)至今。然而很大程度上而言，這些演化圖像主要來自數(shù)值模擬以及人們對(duì)碎片化觀測(cè)證據(jù)的推測(cè)。所幸天文觀測(cè)大數(shù)據(jù)的涌現(xiàn)使得銀河系演化圖像正在被還原，開啟銀河塵封歷史的時(shí)代已經(jīng)到來。
最新恒星年齡巨型圖
銀河系是星系考古學(xué)研究的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，而恒星又是銀河系考古的天然化石：恒星表面的化學(xué)元素含量完整記錄了其誕生時(shí)的銀河系星際環(huán)境的化學(xué)組成；恒星運(yùn)動(dòng)相似性也為天文學(xué)家破解恒星起源問題提供了重要線索。因此實(shí)現(xiàn)對(duì)銀河系集成和演化全面認(rèn)識(shí)的關(guān)鍵則需要獲取銀河系中足夠多、分布足夠廣、足夠有代表性的恒星位置、運(yùn)動(dòng)、年齡及化學(xué)組成等信息。
利用LAMOST開展的銀河系光譜巡天是目前正在運(yùn)行的世界上最大的恒星光譜巡天項(xiàng)目，過去10年間已獲取上千萬條恒星光譜，為揭示銀河系結(jié)構(gòu)和演化提供了史無前例的光譜數(shù)據(jù)基石。歐空局發(fā)射的Gaia衛(wèi)星則為天文學(xué)家提供了14億顆恒星的高精度位置和移動(dòng)地圖。這成為天文學(xué)家開啟銀河塵封歷史的密鑰。
圖3：LAMOST與Gaia，圖片來源：LAMOST運(yùn)行和發(fā)展中心
作為銀河系考古學(xué)研究的前提，恒星年齡是最難以精確獲取的信息，也可以說是天文學(xué)領(lǐng)域最難精確測(cè)定的物理量之一。恒星年齡無法直接測(cè)量，而只能通過將實(shí)測(cè)恒星基本參數(shù)與理論恒星演化模型進(jìn)行對(duì)比的方式進(jìn)行估算。因此年齡測(cè)定精度取決于實(shí)測(cè)恒星參數(shù)的精度和恒星所處的演化階段。依托光譜分析提供的高精度恒星大氣參數(shù)（有效溫度、表面重力和金屬豐度）估計(jì)恒星年齡是目前測(cè)定恒星年齡最為有效的方式。近幾年來，大規(guī)模光譜巡天觀測(cè)提供的大樣本恒星年齡促使銀河系考古學(xué)研究實(shí)現(xiàn)迅速發(fā)展，而LAMOST光譜巡天則是該方向的主要探路者和領(lǐng)航人。
然而，之前的研究所獲取的大樣本恒星典型年齡誤差在20%以上，而年齡誤差小于10%恒星樣本很小，樣本的空間和參數(shù)范圍也十分受限。亞巨星是指處于恒星由主序演化階段向紅巨星演化階段過渡的演化階段的恒星。在這個(gè)演化階段恒星的可觀測(cè)參數(shù)，尤其是光度對(duì)于其初始質(zhì)量和年齡較為敏感，因此這些恒星的年齡相對(duì)容易被精確測(cè)定。但是恒星在亞巨星階段的演化十分迅速，導(dǎo)致亞巨星比較稀少，篩選和構(gòu)建大樣本的亞巨星需要大規(guī)模的巡天觀測(cè)普查。
向茂盛博士和Hans-Walter Rix教授依托LAMOST巡天光譜數(shù)據(jù)獲取了700萬顆恒星的高精度大氣參數(shù)，并利用Gaia巡天數(shù)據(jù)得到高精度的恒星光度和軌道運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上篩選和構(gòu)建了一個(gè)包含25萬顆亞巨星的精確恒星年齡樣本，平均年齡精度為7%，金屬豐度覆蓋范圍從-2.5（太陽(yáng)金屬含量的1/300）到0.5（太陽(yáng)金屬含量的3倍），空間覆蓋范圍達(dá)3萬光年。這一樣本恒星年齡測(cè)量精度是目前最高的，同時(shí)覆蓋的空間和金屬豐度范圍也很大，為精細(xì)刻畫銀河系結(jié)構(gòu)提供了很好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
根據(jù)運(yùn)動(dòng)特性和金屬元素含量的不同，這25萬顆恒星被研究作者分成兩組：一組形成于動(dòng)力學(xué)相對(duì)寧?kù)o過程的薄盤恒星；另一組形成于動(dòng)力學(xué)劇烈湍動(dòng)過程的銀暈和厚盤恒星。以它們作為研究對(duì)象，天文學(xué)家刻畫了一幅清晰的早期銀河系形成和演化圖像，從年老厚盤到銀暈，再到夾心薄盤的銀河成長(zhǎng)歷程在時(shí)光的流轉(zhuǎn)中逐一被還原。
圖4：銀河全景圖，圖片來源：ESA-Gaia-DPAC
厚盤老星高壽幾許？
138億年前，大爆炸之后宇宙誕生，若干年之后出現(xiàn)了銀河系雛形，古老的恒星開始聚集形成了銀河的厚盤地段，這里的居民基本上都是清一色的土著老星。厚盤老星高壽幾許？《自然》文章作者通過分析獲取的這幅銀河超高時(shí)間分辨率演化圖像發(fā)現(xiàn)銀河系厚盤恒星于130億年以前就已經(jīng)開始形成，這距離宇宙大爆炸僅僅過去8億年時(shí)間（對(duì)應(yīng)的宇宙學(xué)紅移為7）。這與哈勃（Hubble）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)。
然而，我們目前還不清楚在極其遙遠(yuǎn)的宇宙深處是否普遍存在跟早期銀河系類似的星系，即那些早已失散了的銀河系兒時(shí)伙伴?；蛟S就在不久的將來，正在地日拉格朗日點(diǎn)L2軌道上開展緊鑼密鼓測(cè)試的詹姆斯·韋布（James Webb）望遠(yuǎn)鏡將會(huì)給出答案。最古老的厚盤星甚至要比銀河系內(nèi)暈恒星年長(zhǎng)約20億年。也就是說，早期厚盤要比今天我們看到的主要銀暈結(jié)構(gòu)領(lǐng)先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。
經(jīng)進(jìn)一步研究，文章作者還發(fā)現(xiàn)厚盤的形成持續(xù)了大約50億年時(shí)間（從130億年前到80億年前）。這個(gè)過程中星際介質(zhì)和恒星的金屬元素含量增加了30倍。不僅如此，由于形成恒星的氣體高度湍流，恒星死亡所產(chǎn)生和拋射出的金屬元素被迅速擴(kuò)散到整個(gè)厚盤的各個(gè)角落，從而使得在這個(gè)過程中任何一個(gè)特定時(shí)刻形成的所有厚盤恒星——無論在哪個(gè)位置形成——都具有幾乎相同的金屬豐度（這與形成于動(dòng)力學(xué)寧?kù)o過程的薄盤的情形非常不同）。
然而令人驚訝的是，雖然厚盤的形成過程持續(xù)了50億年，但數(shù)據(jù)顯示大多數(shù)厚盤恒星卻形成于110億年前的一次集中爆發(fā)。這又是什么原因？這個(gè)時(shí)間點(diǎn)發(fā)生了什么？
銀河暈星的動(dòng)蕩之年
2018年，一項(xiàng)基于Gaia衛(wèi)星巡天和地面光譜巡天數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)，大部分銀暈恒星的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與早期人們的預(yù)測(cè)非常不一致，而且銀暈中這些恒星的化學(xué)DNA（金屬含量）與矮星系類似，而與銀河系本地恒星大不相同。這表明大多數(shù)銀暈恒星都來自一個(gè)矮星系,也引出了銀河系歷史上一段不為人知的動(dòng)蕩過去：百手巨人恩塞拉都斯矮星系（Gaia-Sausage-Enceladus，GSE）曾與青少年時(shí)期的銀河系發(fā)生過碰撞，隨后被銀河系吃干吸收，形成銀暈主體。
后來的恒星化學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)研究進(jìn)一步表明，銀暈中的絕大部分恒星主要是靠吸積數(shù)量眾多的矮星系而來，其中GSE碰撞銀河系是最主要的吸積并合事件，貢獻(xiàn)了大約2/3的銀暈恒星。因此銀暈中這些移民恒星曾經(jīng)的家園應(yīng)該是這個(gè)古老的矮星系，這次碰撞事件也成為揭開銀河系謎團(tuán)的一個(gè)重要線索。
圖5：銀河系與矮星系碰撞示意圖，圖片來源: Instituto de Astrofísica de Canarias
天文學(xué)家一直很難確定這次GSE撞擊事件的確切時(shí)間，之前研究推測(cè)它約在80～100億年前與銀河系碰撞。2019年西班牙加那利天體物理研究所的一項(xiàng)新研究推測(cè)GSE是在100億年前與銀河系相撞的。然而，最新研究獲取的這幅銀河早期演化圖像給出了碰撞事件更準(zhǔn)確的時(shí)間點(diǎn)大約是在110億年前，這比之前認(rèn)為的早了10億年。
更重要的是，GSE于110億前撞擊了早期銀河系，而厚盤的恒星形成活動(dòng)也在110億前年達(dá)到峰值。這兩個(gè)年齡高度吻合，論文研究作者認(rèn)為，這絕非偶然的巧合，而是暗示了厚盤的恒星形成活動(dòng)受到了GSE撞擊事件的顯著激發(fā)，場(chǎng)景仿佛歷歷在目。
之前人們發(fā)現(xiàn)了GSE撞擊銀河系事件，但是撞擊之前的銀河系長(zhǎng)什么樣？該撞擊事件又對(duì)它產(chǎn)生了什么影響？由于缺乏實(shí)錘證據(jù)，這些問題的答案不得而知。而最新的這項(xiàng)研究為早期銀河系以及GSE撞擊事件提供了一幅清晰圖像。
夾心薄盤風(fēng)華正茂
這25萬顆恒星不僅在歸屬上表征為兩組，一組屬于銀暈和厚盤，另一組則來自薄盤。巧合的是，它們的年齡以大約80億年為界也被清晰地分成截然不同的兩組。這意味著從時(shí)間軸上看，銀河系的集成和演化歷史分成兩個(gè)明確的階段：從130億年前到80億年前的早期階段以及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，晚期階段則形成了銀河系薄盤。
較為年輕的薄盤從80億年前開始逐漸長(zhǎng)成今天像夾心餅一樣向兩端不斷變大、變胖的樣子。這個(gè)過程整體上是比較平穩(wěn)和枯燥的，但也不乏精彩的故事，其中最為精彩的一篇可能要數(shù)恒星移民了。薄盤的成長(zhǎng)過程見證了大規(guī)模的恒星移民事件，那些形成于更靠近銀河系中心的內(nèi)部銀盤區(qū)域的恒星經(jīng)過漫長(zhǎng)的遷徙到達(dá)今天的太陽(yáng)鄰域空間（距離銀河系中心約25000光年）。
因?yàn)楹阈切纬膳c演化活動(dòng)更加活躍的原因，這些形成于內(nèi)部銀盤的恒星有著異常高的金屬含量，因此它們比較容易地就被天文學(xué)家通過觀測(cè)數(shù)據(jù)識(shí)別出來。同樣，太陽(yáng)鄰域也有相當(dāng)一部分恒星移民來自外部銀盤區(qū)域，相比本地恒星，這些來自外部的恒星金屬含量更低，也比較容易被證認(rèn)出來。正所謂夾心薄盤風(fēng)華正茂，萬千恒星川流不息，為銀河千秋偉業(yè)拓土開疆，豈不是足夠精彩？
此外，在過去的80億年間星系并合事件實(shí)際上一直在上演，其中最廣為人知的并合遺跡可能要數(shù)人馬座星流（Sagittarius stream），而大小麥哲倫云也將在不久的將來被銀河系吞噬和消化。但整體而言，這些事件估計(jì)只能算得上是小并合事件，其影響恐怕難以跟早期的GSE撞擊事件相媲美。
至此，一個(gè)較為清晰的銀河系早期形成和演化圖像得以建立，這也是天文學(xué)家從時(shí)間軸上刻畫的最為精確和完整的銀河系形成歷史的壯麗畫卷。
千百年來，人們?yōu)榱苏J(rèn)識(shí)這廣袤銀河和浩瀚宇宙的奧秘，從未停止過探索的腳步。如今，瞄向宇宙的觀天巨眼正助力科學(xué)家逐步看清銀河早期的形成演化歷史，翻開了銀河史冊(cè)的重要篇章。作為盤星系的普通代表，銀河系史冊(cè)將成為天文學(xué)家理解星系形成和演化，追溯從極早期宇宙一直到今天所發(fā)生精彩故事的經(jīng)典之作。精彩還在繼續(xù)，讓我們共同期待。
圖6：銀河系形成歷史示意圖：138億年前宇宙大爆炸，130億年前厚盤出現(xiàn)，110億年前銀暈形成、厚盤顯著成長(zhǎng)，80億前厚盤形成停止、薄盤開始形成并持續(xù)至今，圖片來源：喻京川
圖7：3月24日刊《自然》雜志封面——追星人的銀河指南，圖片來源：文獻(xiàn)[2]
作者簡(jiǎn)介
李雙，LAMOST運(yùn)行和發(fā)展中心宣傳主管；王丹，LAMOST運(yùn)行和發(fā)展中心辦公室主任。
參考文獻(xiàn)：
[1] 康德，《實(shí)踐理性批判》
[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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