銀河早期集成和演化圖像示意圖 （喻京川繪）
過去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、銀暈和銀盤上。銀暈和銀盤在什么時間、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》封面發布了基于中科院國家天文臺運行的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡（LAMOST）和歐空局天體測量衛星蓋亞望遠鏡（Gaia）的巡天觀測數據取得的研究成果。德國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，按照時間序列清晰還原了銀河系幼年和青少年時期的形成與演化圖像。
研究表明，距離宇宙大爆炸僅僅過去8億年的130億年前，銀河系厚盤開始形成，110億年前銀暈形成，80億年前至今銀河薄盤形成。這一結果刷新了人們對銀河系早期形成歷史的認知。
天文大數據開啟塵封歷史
過去的研究認為，銀河系在“嬰兒時期”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，進一步冷卻形成銀河系薄盤。薄盤形成持久而有序，從大約100億年前—80億年前這一時間段起一直持續至今。
在研究人員看來，這些圖像主要來自數值模擬以及人們對碎片化觀測證據的推測，所幸天文觀測大數據的涌現使得銀河系演化圖像正在被改寫，開啟銀河塵封歷史的時代已經到來。
LAMOST發布千萬量級的光譜數據成為數字化銀河的基石，而歐空局發射的Gaia衛星則提供了14億顆恒星的位置和移動地圖，二者結合，成為天文學家追溯銀河系集成和演化歷史得天獨厚的優勢。
25萬顆恒星的精確年齡
最新發表在《自然》的成果中，研究人員利用LAMOST 700萬顆恒星的大氣參數，并結合Gaia數據得到了高精度的恒星光度和軌道運動學參數。
然后，從這700萬顆恒星中篩選出25萬顆亞巨星，測定它們的精確年齡。“亞巨星處于恒星主序演化階段向紅巨星演化階段過渡的恒星階段，對其年齡的精確測定相對容易。”向茂盛向《中國科學報》介紹，“但是恒星在亞巨星階段的演化十分迅速，導致亞巨星比較稀少。”
該成果構建了25萬顆亞巨星的高質量數據樣本，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（太陽金屬含量的三百分之一）到0.5（太陽金屬含量的3倍），空間覆蓋范圍達3萬光年。
據了解，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獲取如此大樣本恒星的高精度年齡，突破了數據的局限性，邁出了銀河系的形成與演化歷史研究的標志性的一步。
銀河系演化時間軸
此后，研究人員把這25萬顆恒星劃分成兩組：一組表征為形成于動力學相對寧靜過程的銀河系延展薄盤的恒星，另一組形成于動力學劇烈湍動過程的銀暈和厚盤恒星。
研究發現，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。從時間上看，銀河系的集成和演化歷史分成兩個明確的階段——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130億年前就已經開始形成，這距離宇宙大爆炸僅僅過去8億年時間，而最古老的厚盤星甚至要比銀河系內暈恒星早形成約20億年。銀河系內暈結構被認為主要是“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形成的。
“也就是說，早期厚盤要比今天我們看到的主要恒星銀暈結構早20億年形成，這刷新了對銀河系早期形成歷史的傳統認知。”向茂盛解釋。
經進一步研究，科研人員發現，盡管厚盤形成從130億年前到80億年前持續了50億年時間，但大多數厚盤恒星卻形成于約110億年前的一次集中爆發，與矮星系GSE和早期銀河系并合發生的時間高度吻合。
對此，研究團隊認為這絕非偶然，而是強烈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。
此后，形成厚盤恒星的氣體大約在80億年前耗盡，厚盤形成停止。與此同時，新的氣體開始從銀河系周圍聚集到一個更薄的盤上形成銀河系薄盤恒星，薄盤形成過程一直持續至今。至此，一個時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。
“把銀河系形成過程中發生的一系列重要事件放在精確的時間軸上，形成詳細的銀河系史冊，這對于我們認識和理解我們所在的這個星系的集成和演化歷史是非常重要的，也是目前這個工作的關鍵意義。”向茂盛強調。
《自然》審稿人評價，該成果通過一種創新的方法精確估計恒星的年齡，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據的積累，銀河系形成和演化的圖像將變得更加清晰。（記者 甘曉）
相關論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-022-04496-5
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