昨天，這項(xiàng)研究成為Nature封面

過(guò)去100多億年間，我們所在的銀河系集成了上千億顆恒星，它們主要分布在銀河系中心核球、銀暈和銀盤(pán)上。

銀暈和銀盤(pán)在什么時(shí)間、如何形成，又是如何演化成今天絢麗多姿的銀河的？

3月24日，《自然》封面發(fā)布了基于中科院國(guó)家天文臺(tái)運(yùn)行的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）和歐空局天體測(cè)量衛(wèi)星蓋亞望遠(yuǎn)鏡（Gaia）的巡天觀測(cè)數(shù)據(jù)取得的研究成果。

德國(guó)馬普天文研究所向茂盛博士和Hans-Walter Rix教授等研究人員獲取了迄今最為精確的大樣本恒星年齡信息，按照時(shí)間序列清晰還原了銀河系幼年和青少年時(shí)期的形成與演化圖像。

研究表明，距離宇宙大爆炸僅僅過(guò)去8億年的130億年前，銀河系厚盤(pán)開(kāi)始形成，110億年前銀暈形成，80億年前至今銀河薄盤(pán)形成。

這一結(jié)果刷新了人們對(duì)銀河系早期形成歷史的認(rèn)知。

銀河早期集成和演化圖像示意圖    喻京川繪

天文大數(shù)據(jù)開(kāi)啟塵封歷史

過(guò)去的研究認(rèn)為，銀河系在“嬰兒時(shí)期”極早期由貧金屬氣體塌縮，或者富含氣體的星系間相互碰撞和并合形成銀河系恒星暈，氣體逐漸冷卻形成銀河系厚盤(pán)，進(jìn)一步冷卻形成銀河系薄盤(pán)。

薄盤(pán)形成持久而有序，從大約100億年—80億年前這一時(shí)間段起一直持續(xù)至今。

在研究人員看來(lái)，這些圖像主要來(lái)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改寫(xiě)，開(kāi)啟銀河塵封歷史的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。

LAMOST發(fā)布千萬(wàn)量級(jí)的光譜數(shù)據(jù)成為數(shù)字化銀河的基石，而歐空局****的Gaia衛(wèi)星則提供了14億顆恒星的位置和移動(dòng)地圖，二者結(jié)合，成為天文學(xué)家追溯銀河系集成和演化歷史得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

25萬(wàn)顆恒星的精確年齡

最新發(fā)表在《自然》的成果中，研究人員利用LAMOST 700萬(wàn)顆恒星的大氣參數(shù)，并結(jié)合Gaia數(shù)據(jù)得到了高精度的恒星光度和軌道運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。

然后，從這700萬(wàn)顆恒星中篩選出25萬(wàn)顆亞巨星，測(cè)定它們的精確年齡。

“亞巨星處于恒星主序演化階段向紅巨星演化階段過(guò)渡的恒星階段，對(duì)其年齡的精確測(cè)定相對(duì)容易?！毕蛎⑾颉吨袊?guó)科學(xué)報(bào)》介紹，“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?！?/span>

該成果構(gòu)建了25萬(wàn)顆亞巨星的高質(zhì)量數(shù)據(jù)樣本，并獲取了它們的精確年齡。

樣本平均年齡精度為7%，金屬元素豐度覆蓋范圍從-2.5（太陽(yáng)金屬含量的三百分之一）到0.5（太陽(yáng)金屬含量的3倍），空間覆蓋范圍達(dá)3萬(wàn)光年。

據(jù)了解，這是首次在銀河系如此廣闊的空間范圍和恒星金屬豐度范圍內(nèi)獲取如此大樣本恒星的高精度年齡，突破了數(shù)據(jù)的局限性，邁出了銀河系的形成與演化歷史研究的標(biāo)志性的一步。

銀河系演化時(shí)間軸

此后，研究人員把這25萬(wàn)顆恒星劃分成兩組：一組表征為形成于動(dòng)力學(xué)相對(duì)寧?kù)o過(guò)程的銀河系延展薄盤(pán)的恒星，另一組形成于動(dòng)力學(xué)劇烈湍動(dòng)過(guò)程的銀暈和厚盤(pán)恒星。

研究發(fā)現(xiàn)，這兩組恒星的年齡以大約80億年為界，同樣清晰地被分成截然不同的兩組。

從時(shí)間上看，銀河系的集成和演化歷史分成兩個(gè)明確的階段——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(pán)和銀暈，晚期階段形成了銀河系薄盤(pán)。

銀河系厚盤(pán)恒星從130億年前就已經(jīng)開(kāi)始形成，這距離宇宙大爆炸僅僅過(guò)去8億年時(shí)間，而最古老的厚盤(pán)星甚至要比銀河系內(nèi)暈恒星早形成約20億年。

銀河系內(nèi)暈結(jié)構(gòu)被認(rèn)為主要是“百手巨人恩塞拉都斯矮星系”（GSE）碰撞早期銀河系并被吸積并合時(shí)形成的。

“也就是說(shuō)，早期厚盤(pán)要比今天我們看到的主要恒星銀暈結(jié)構(gòu)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?！毕蛎⒔忉?。

經(jīng)進(jìn)一步研究，科研人員發(fā)現(xiàn)，盡管厚盤(pán)形成從130億年前到80億年前持續(xù)了50億年時(shí)間，但大多數(shù)厚盤(pán)恒星卻形成于約110億年前的一次集中爆發(fā)，與矮星系GSE和早期銀河系并合發(fā)生的時(shí)間高度吻合。

對(duì)此，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這絕非偶然，而是強(qiáng)烈暗示了厚盤(pán)的恒星形成活動(dòng)受到了GSE撞擊事件的顯著激發(fā)。

此后，形成厚盤(pán)恒星的氣體大約在80億年前耗盡，厚盤(pán)形成停止。

與此同時(shí)，新的氣體開(kāi)始從銀河系周?chē)奂揭粋€(gè)更薄的盤(pán)上形成銀河系薄盤(pán)恒星，薄盤(pán)形成過(guò)程一直持續(xù)至今。

至此，一個(gè)時(shí)間軸上被精確刻畫(huà)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(guò)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)于我們認(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，也是目前這個(gè)工作的關(guān)鍵意義?！毕蛎?qiáng)調(diào)。

《自然》審稿人評(píng)價(jià)，該成果通過(guò)一種創(chuàng)新的方法精確估計(jì)恒星的年齡，幫助研究人員更好地了解銀河系是如何形成的。隨著銀河系中更大樣本恒星數(shù)據(jù)的積累，銀河系形成和演化的圖像將變得更加清晰。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04496-5

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2022-03-25 第1版 要聞 原標(biāo)題為《25萬(wàn)顆恒星見(jiàn)證銀河系這樣“長(zhǎng)大”》)