基于两架望远镜数据，天文学家绘出银河系早期演化图像│新知

新京报记者今天（3月24日）获悉，基于郭守敬望远镜（LAMOST）和盖亚望远镜（Gaia）的巡天观测数据，研究人员获取了迄今为止最为精确的大样本恒星年龄信息，清晰描绘了银河系幼年和青少年时期的形成与演化图像——130亿年前到80亿年前银河厚盘形成，110亿年前银晕形成，80亿年前至今银河薄盘形成。这一研究刷新了人们对银河系早期形成历史的认知。

北京时间3月24日，国际科学期刊《自然》以封面文章形式发布了这一重要研究成果。

银河系早期集成和演化图像示意图：138亿年前宇宙大爆炸，130亿年前厚盘开始形成，110亿年前银晕形成，80亿年前至今银河薄盘形成。图/喻京川

两架望远镜“珠联璧合”，天文观测大数据开启银河尘封历史

夜空中美丽浩瀚的银河，自古以来就引发了人们无尽的想象和探索。银河系是无数宇宙岛中一个普通盘星系，和其他类似星系一样，它在过去的一百多亿年间集成了上千亿颗恒星。这些恒星根据位置的不同，主要分布在几个特征结构上，包括核球、银晕和银盘，其中银盘又包括一个几何上相对较厚的厚盘和一个相对较薄且更延展的薄盘，太阳就处在薄盘上。

然而，银河系的这些结构是在何时、如何形成的？又是如何组装起来并演化成今天绚丽多姿的银河的？这一系列起源问题一直是天文学家极力解决的科学谜团，同时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。

过去的研究通常认为，银河系在婴儿时期（极早期）经历了剧烈的形成过程，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80亿-100亿年前一直持续至今。

“也就是说，之前的研究，准确地说是在2018年以前的研究普遍认为，银晕是早于银盘形成的。”文章第一作者、德国马普天文研究所的研究人员向茂盛博士告诉新京报记者。

然而，这些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。“2018年的一项研究显示，实际图像要比这个模式复杂，银晕可能是早期银河系吸积矮星系而来。”但是人们关于这个早期银河系知之甚少，它长什么样？促使银晕诞生的吸积并合事件又对它产生了什么影响？

所幸，天文观测大数据的涌现正在改写银河系演化图像，开启银河尘封历史的时代已经到来。

中国科学院国家天文台运行的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜，发布了千万量级的恒星光谱数据，成为数字化银河的基石。欧洲空间局发射的天体测量卫星盖亚望远镜则提供了14亿颗恒星的高精度位置和移动地图。二者珠联璧合，为天文学家追溯银河系的集成和演化历史提供了得天独厚的优势。

获取25万颗亚巨星的精确年龄

基于郭守敬望远镜和盖亚望远镜的数据，德国马普天文研究所的研究人员向茂盛博士和Hans-Walter Rix教授构建了包含25万颗亚巨星的高质量数据样本，并获取了它们的精确年龄。

恒星年龄是最难以精确测定的恒星物理量，也可以说是天文领域最难精确测量的物理量之一。“人类寿命不过百年，不可能对寿命长达百亿年的恒星进行计时，所以科学家通过恒星的温度、光度、元素丰度（含量）来判断它的年龄。”向茂盛说。

恒星很大程度上保留了它诞生时所处环境的化学成分，通过分析恒星的化学成分可以追溯它们的起源。恒星光谱就像是恒星的DNA，通过光谱，天文学家可以确定恒星的温度、金属元素丰度（含量）等，破解恒星的“身世之谜”。

郭守敬望远镜可以同时观测4000个天体，发布了千万量级的恒星光谱数据，得益于郭守敬望远镜银河系巡天等项目的开展，获取大样本恒星的年龄已在过去几年内逐渐成为现实。尽管解决了“大样本”的问题，但之前的研究获取的恒星平均年龄误差为20%或更大，误差为10%的恒星样本很小，样本的空间和参数范围也十分受限。

“所以此次，我们选择恒星中的亚巨星作为研究对象。”向茂盛解释说，亚巨星是处于恒星主序演化阶段向红巨星演化阶段短暂过渡的恒星，在知道元素丰度的情况下，其光度和年龄具有非常好的一一对应关系，而且不同年龄恒星的光度相差较大。因此一旦知道了它们的元素丰度和光度，它们的年龄就比较容易被精确测定。

但另一方面，恒星在亚巨星阶段的演化十分迅速，处于确定年龄“窗口期”的亚巨星比较稀少。利用郭守敬望远镜光谱大数据，向茂盛精确测定了700万颗恒星的大气参数，并结合盖亚望远镜数据得到了高精度的恒星光度和轨道运动学参数。从这700万颗恒星中筛选出25万颗亚巨星，测定出它们的精确年龄，样本平均年龄误差为7%，金属元素丰度覆盖范围从-2.5（太阳金属含量的300分之一）到0.5（太阳金属含量的3倍），空间覆盖范围达3万光年。

这是首次在银河系如此广阔的空间范围和恒星金属丰度范围内，获取如此大样本恒星的高精度年龄，突破了数据的局限性，为开展银河系的形成与演化历史研究跨出了标志性的一步。

银河系演化历史分成两个明确阶段

按照运动特征和化学DNA（元素丰度）鉴定，研究人员把这25万颗恒星划分成两组：一组是形成于动力学相对宁静过程的银河系延展薄盘的恒星；另一组是形成于动力学剧烈湍动过程的银晕和厚盘的恒星。

研究团队发现，这两组恒星的年龄以大约80亿年为界，同样被清晰地分成截然不同的两组。也就是说，从时间上看，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和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，晚期阶段形成了银河系薄盘。

超高的时间分辨率使得研究团队得到了清晰的银河系早期集成和增丰（金属元素含量累积）图像：银河系厚盘恒星从130亿年前就已经开始形成，这距离宇宙大爆炸仅仅过去8亿年时间。最古老的厚盘恒星甚至要比银河系内晕恒星年老约20亿年（银晕主要指内晕）。银河系内晕结构被认为主要是“百手巨人”恩塞拉都斯矮星系（Gaia-Sausage-Enceladus，GSE）碰撞银河系并被吸积并合时形成的。

“也就是说，早期厚盘比主要恒星银晕结构早20亿年形成。这也意味着，在回答银晕和银盘何时形成时，答案是——银盘早于银晕形成，这为早期银河系形成提供了一幅时间轴上的清晰图像。”向茂盛说。

矮星系撞击事件加速厚盘形成

解决了“何时形成”的疑问，那么银晕和银盘是“如何形成”的？

经过进一步研究，向茂盛等人发现，厚盘的形成一直持续了从130亿年前到80亿年前的大约50亿年时间，其间金属元素含量增加了30倍。然而，大多数厚盘恒星却形成于约110亿年前的一次集中爆发。与此同时，他们通过年龄数据研究发现，矮星系GSE与早期银河系并合发生的时间大约也是在110亿年前，这比前人认为的早了10亿年。两个年龄高度吻合，研究团队认为这绝非偶然，而是强烈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。

科研人员推断，形成厚盘恒星的气体大约在80亿年前耗尽，厚盘形成停止。差不多与此同时，新的气体开始从银河系周围聚集到一个更薄的盘上形成银河系薄盘恒星。薄盘形成过程一直持续至今。

最终，一个时间轴上被精确刻画的早期银河系形成和演化图像得以呈现。“把银河系形成过程中发生的一系列重要事件放在精确的时间轴上，形成详细的银河系史册，这对于认识和理解我们所在星系的集成和演化历史是非常重要的，这也是目前这项工作的关键意义所在。”向茂盛强调。

银河系作为普通星系的代表，是人类研究宇宙中一般星系形成与演化问题的“重点实验室”，它可以帮助天文学家追溯从极早期宇宙一直到今天所发生的一个个精彩故事。

论文审稿人Timothy C. Beers评价这是目前最清晰的银河系演化图像。受《自然》杂志邀请，Timothy C. Beers为该研究撰写了评论文章，表示该研究通过一种创新的方法来估计恒星的出生日期（年龄），成功地帮助我们更好地了解银河系是如何形成的。而且这种方法是可扩展的，随着银河系中更大样本恒星的数据变得可用，这张图片将变得更加清晰。

新京报记者 张璐

编辑 刘梦婕 校对 杨许丽