時間盡頭看銀河，還原百億年塵封“成長史”

李雙 黃京一

人類所在的銀河系是無數(shù)宇宙島中一個普通盤星系的代表，和其他類似星系一樣，它在過去的一百多億年間集結(jié)了上千億顆恒星。

如今已是百億年高齡的銀河系，當(dāng)年是如何開疆拓土，逐步壯大到今天這般規(guī)模的？在它的生命歷程中何時、何地、發(fā)生了什么，才形成了如今的銀暈、厚盤、薄盤等這一系列結(jié)構(gòu)？

高懸夜空的璀璨銀河，重重謎團(tuán)待解。隨著天文大數(shù)據(jù)時代的到來，人類有望逐步翻開厚重的銀河史冊，從它的瑰麗姿態(tài)中追溯其長達(dá)百億年的成長足跡。3月24日，天文學(xué)家揭示了迄今最為清晰的銀河系幼年和青少年期成長史，為人類構(gòu)建恢弘的銀河系史冊寫下了序章。

3月24日，國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志以封面文章形式發(fā)布了一項研究成果：德國馬普天文研究所的研究人員向茂盛博士和漢斯·瓦爾特·瑞克斯教授利用中國科學(xué)院國家天文臺運(yùn)行的郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）和歐洲空間航天局天體測量衛(wèi)星蓋亞望遠(yuǎn)鏡（Gaia）的巡天觀測數(shù)據(jù)，獲取了迄今最為精確的大樣本恒星年齡信息，按照時間序列清晰還原了銀河系幼年和青少年時期的形成演化圖像，刷新了人們對銀河系早期形成歷史的認(rèn)知。

這一發(fā)現(xiàn)讓我們有幸可以追溯到時間的起點(diǎn)，一探銀河的成長足跡。

銀河系：恒星盤踞

盤星系“大都市”兩階段格局分明

銀河系從誕生到今天，已有百億高齡。它叱咤風(fēng)云，開疆拓土，逐步成長為宇宙中一個直徑達(dá)20萬光年的規(guī)模可觀的盤星系“大都市”。這里居住著上千億顆恒星成員，我們的太陽就是其中再普通不過的一員。

銀河系的千億顆恒星“居民”在各自軌道上有條不紊、周而復(fù)始、生生不息地運(yùn)動著。這些恒星之中，既有銀河系土著，也有外來的星際移民。

這些恒星主要分布在銀河系的幾個重要區(qū)域：核球位于銀河系“市中心”，在核球外是扁平狀銀盤，而球狀銀暈則包裹著整個銀盤。

實(shí)際上，扁平狀的銀盤又包括了一個相對較厚的厚盤和一個相對較薄且更延展的薄盤。厚盤主要位于銀河系內(nèi)部，其地形看上去呈橄欖球狀，這里的“居民”主要是老年恒星。而薄盤的地形則如同夾心餅，從內(nèi)部往兩端延展且邊緣逐步變寬，這里是氣體、塵埃和年輕恒星的共同生活區(qū)域。銀盤的外圍被球狀結(jié)構(gòu)的銀暈包裹，這里地廣星稀，恒星多是外來移民，又是另一番風(fēng)景。

在銀河系的演化歷程中，這些“地段”依照怎樣的順序出現(xiàn)？是什么成就了如今波瀾壯闊的銀河系全貌？

傳統(tǒng)認(rèn)知通常認(rèn)為，我們的銀河系在嬰兒時期經(jīng)歷了相當(dāng)動蕩的成長過程——首先是大量的貧金屬氣體坍縮，或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；接下來，氣體逐漸冷卻，形成了早期銀盤即銀河系厚盤地帶；最后，氣體進(jìn)一步冷卻，開始形成銀河系薄盤，這一過程從大約80億至100億年前開始，一直持續(xù)至今。

不過，這些成長歷程的描述主要來自數(shù)值模擬，以及人們對碎片化觀測證據(jù)的推測。近年來，隨著天文觀測大數(shù)據(jù)的涌現(xiàn)，天文學(xué)家得以逐步還原更加清晰而真實(shí)的銀河系演化圖像，開啟銀河塵封歷史的時代已經(jīng)到來。

這篇以《自然》封面形式發(fā)表的最新研究成果，刻畫了一個時間軸上迄今最清晰的銀河系幼年和青少年的成長史。它如同一個穿越時空的使者，揭開了銀河系塵封已久的過往，翻開了那些不為人知的秘史。

根據(jù)觀測數(shù)據(jù)分析，天文學(xué)家將銀河系的成長歷史從總體上分成兩個明確的階段：130億年前到80億年前的早期階段，形成了銀河系的厚盤和銀暈；80億年前至今的晚期階段，形成了銀河系薄盤。

激動人心的星系吞并、川流不息的恒星遷徙、持之以恒的星系擴(kuò)張……銀河系的百億年秘史充滿戲劇性的跌宕起伏。

幼年期：厚盤初成

“共同富?！钡暮阈恰耙恋閳@”

138億年前，大爆炸之后宇宙誕生，隨著時間的推移，銀河系雛形慢慢出現(xiàn)。此時，古老的恒星開始聚集，形成了銀河的厚盤地段。從現(xiàn)在的巡天觀測數(shù)據(jù)來看，這里的恒星“居民”基本上是清一色的“土著老星”。

那么，這些厚盤老星究竟壽高幾許？研究人員通過分析獲取的清晰演化圖像發(fā)現(xiàn)，銀河系厚盤恒星于130億年之前就已經(jīng)開始形成，這距離宇宙大爆炸僅僅過去8億年——與美國哈勃空間望遠(yuǎn)鏡目前能夠探測到的最遙遠(yuǎn)星系所出現(xiàn)的時間相當(dāng)。

這樣算來，居住在銀河系厚盤區(qū)域那些最古老的恒星“居民”，要比銀暈內(nèi)部的多數(shù)恒星年長約20億歲。也就是說，相較于今天我們看到的銀河系中主要的銀暈結(jié)構(gòu)，早期厚盤要早20億年開始形成。

這一發(fā)現(xiàn)刷新了天文學(xué)家對銀河系早期形成歷史的認(rèn)知。2018年以前，大多數(shù)天文學(xué)家認(rèn)為，銀暈的出現(xiàn)要早于厚盤。直到2018年，基于歐空局蓋亞衛(wèi)星的一項發(fā)現(xiàn)，人們才對此產(chǎn)生懷疑，推測在銀暈形成之前銀河系已經(jīng)存在。但當(dāng)時人們對早期銀河系知之甚少。此次研究終于發(fā)現(xiàn)，在銀暈主體結(jié)構(gòu)形成之前的20億年里，早期銀河系厚盤已經(jīng)存在。

此次研究還發(fā)現(xiàn)，銀河系厚盤的形成從130億年前一直持續(xù)到80億年前。在這段大約50億年的時間長河中，厚盤中的星際介質(zhì)和恒星的金屬元素含量增加了約30倍。同時，厚盤恒星金屬豐度和年齡具有出奇的一致性。也就是說，在這50億年中任何時刻、任何位置出生的厚盤恒星，都具有近乎相同的金屬元素含量。這表明厚盤的恒星可能都誕生于高度湍流的氣體環(huán)境，因此恒星死亡所產(chǎn)生和拋射出的金屬元素會被迅速擴(kuò)散到整個厚盤的各個角落。

不得不說，在銀河系厚盤的地界里，恒星們實(shí)現(xiàn)了“共同富?！保瑢?shí)在是其樂融融。

少年期：動蕩銀暈

“兼容包并”吸納矮星系“移民”

2018年，一項基于蓋亞衛(wèi)星巡天和地面光譜巡天數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)，銀河系中大多數(shù)銀暈恒星都來自一個矮星系。這引出了銀河系歷史上一段不為人知的動蕩過往。

這個矮星系名叫“百手巨人恩塞拉都斯矮星系”（GSE）。在距今110億年前，它與正在開疆拓土、迅速成長中的銀河系發(fā)生了碰撞，隨后被銀河系吞并吸收，變成了銀河系的一部分——形成了銀暈主體。

這段歷史的發(fā)現(xiàn)充滿了曲折。在這之前，天文學(xué)家就認(rèn)為銀河系外暈中有很大一部分恒星并不是銀河系的本土居民，而是來自數(shù)量眾多的矮星系“移民”——銀河系通過吸積并合，吞并了不少矮星系，從而不斷壯大自己。但天文學(xué)家仍然認(rèn)為內(nèi)暈由“本地恒星”主導(dǎo)，直到人們發(fā)現(xiàn)GSE碰撞銀河系為銀河系內(nèi)暈貢獻(xiàn)了大約2/3數(shù)量的恒星。因此，這次碰撞事件足以成為載入銀河系成長史冊的一次重大事件。

然而，一直令天文學(xué)家難以確定的，是這次矮星系撞擊銀河的確切時間。過去很多研究推測，GSE與銀河系的碰撞大約發(fā)生在距今80億至100億年前。比如，2019年西班牙加那利天體物理研究所的一項研究，推測GSE是在大約100億年前與銀河系相撞的。

這次的最新研究獲取的銀河早期演化圖像，給出了碰撞事件更準(zhǔn)確的時間點(diǎn)——大約是在110億年前。這比之前認(rèn)為的早了10億年。

過去的研究采用的恒星年齡誤差較大且樣本很小，而這項最新研究使用的是迄今最為精確的大樣本恒星年齡，并提出了一種確定GSE碰撞時間的新方法。

GSE碰撞導(dǎo)致一部分原本在銀河系厚盤的恒星被撞出去，其運(yùn)動從銀盤軌道變成銀暈軌道，但是其“身份證”（金屬元素含量）仍舊顯示它們的厚盤出身。研究人員分析了被撞出去的這部分恒星的年齡分布，發(fā)現(xiàn)絕大部分比110億年老。也就是說，撞擊事件必須是發(fā)生在這個時間點(diǎn)之前，否則，應(yīng)該能看到比110億年更年輕的厚盤恒星也被撞出去。

更為有趣的是，在這項研究中，研究人員還測定了厚盤的恒星形成歷史，發(fā)現(xiàn)厚盤的恒星形成活動也在110億年前達(dá)到峰值。這個時間于與矮星系GSE撞擊早期銀河系的時間高度吻合。論文作者認(rèn)為，這絕非偶然巧合，而是暗示了厚盤的恒星形成活動受到了GSE撞擊事件的顯著激發(fā)。

青年期：年輕薄盤

恒星“遷徙”80億年川流不息

厚盤的形成過程雖然持續(xù)了50億年，但是厚盤中的大多數(shù)恒星主要形成于110億年前的一次集中爆發(fā)。而薄盤的形成卻與厚盤大不相同，這是一個長達(dá)80億年的偏于平穩(wěn)枯燥的動力學(xué)過程。

在銀河系中，相對年輕的薄盤從80億年前開始逐漸長成今天的形狀——像夾心餅一樣向兩端不斷變大、變寬。盡管總體平靜，但其中也不乏精彩的成長故事，最精彩的可能當(dāng)數(shù)銀河系內(nèi)部的恒星大遷徙。正所謂，夾心薄盤風(fēng)華正茂，萬千恒星川流不息，為銀河系的千秋偉業(yè)拓土開疆。

過去80億年間，那些形成于更靠近銀河系中心的內(nèi)部薄盤恒星，經(jīng)過漫長的遷徙，到達(dá)今天的太陽鄰域空間（距離銀河系中心約2.5萬光年）。

由于內(nèi)部銀盤的恒星形成與演化活動更加活躍，因此這些形成于內(nèi)部銀盤的恒星有著異常高的金屬含量。它們“腰纏萬貫”地搬遷到新區(qū)域，與“當(dāng)?shù)亍焙阈遣顒e相當(dāng)大。所以，天文學(xué)家很容易通過觀測數(shù)據(jù)將這些恒星“移民”識別出來。

同樣，太陽鄰域也有相當(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，相對“貧困”的它們也比較容易被證認(rèn)出來。

此外，在這80億年間，銀河系并合其他矮星系的故事也一直在上演。其中，最廣為人知的并合遺跡要數(shù)人馬座星流，大麥哲倫星系也將會在不久的將來被銀河系吞噬和消化。但整體而言，這些大概只能算得上是小并合事件，其影響恐怕難以跟早期的GSE撞擊事件相提并論。

塵封的過往，嶄新的認(rèn)識。一個時間軸上較為清晰的銀河系早期形成和演化圖像終于得以建立，這也是目前天文學(xué)家從時間軸上刻畫的最為精確和完整的銀河系形成歷史。天文學(xué)家翻開了銀河系幼年和青少年時期成長秘史的序章。未來，隨著天文儀器和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，天文學(xué)家終將能獲得一部豐富完整的銀河系史冊，實(shí)現(xiàn)對我們身處的這個美麗星系前世今生的清晰認(rèn)識。

（作者單位：中國科學(xué)院國家天文臺。審核人為論文作者、德國馬普天文研究所向茂盛博士）