出品：科普中國

作者：向茂盛（中國科學院國家天文臺）

監制：中國科普博覽

編者按：為拓展認知邊界，科普中國前沿科技項目推出“未知之境”系列文章，縱覽深空、深地、深海等領域突破極限的探索成果。讓我們一起走進科學發現之旅，認識令人驚嘆的世界。

像銀河系這樣同時具有盤和暈結構的星系是怎么形成的？是先形成盤還是暈？這是理解星系如何起源和早期宇宙環境的關鍵問題之一。

近期，在《自然·天文》發表的一項研究中，中國科學院國家天文臺向茂盛研究員、劉繼峰研究員和德國馬普天文研究所的漢斯-沃特·瑞克斯（Hans-Walter Rix）教授等人合作，基于國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡（LAMOST）以及歐空局Gaia衛星數據，揭示了古銀盤的空間結構演化，發現現存最古老的銀盤結構成分起源于130多億年前。研究團隊將發現的這個最古老的銀盤結構命名為“盤古”。該發現對深入理解星系和宇宙的早期起源和演化具有重要意義。

論文截圖

（圖片來源：作者提供）

先有盤還是先有暈？

銀河系是宇宙中一個典型的漩渦狀盤星系。它包含銀盤、銀暈和核球等恒星結構成分。其中，銀暈的體積最大，但其中恒星分布和運動雜亂無章。而銀盤的恒星最多，其分布和運動卻井然有序。那么，像銀河系這樣同時具有盤和暈結構的星系是怎么形成的？早期是先形成盤還是暈？這是理解星系如何起源和早期宇宙環境的關鍵問題之一。

銀河系結構示意圖

（圖片來源：向茂盛繪制）

20世紀60年代提出的經典模型認為，星系早期結構形成于氣體塌縮[1]。氣體狀態從無序到有序演變，這一過程驅動星系先形成外圍的暈，然后形成了盤。然而，這一模型的統治地位后來被暗能量和冷暗物質主導的結構形成模型（ΛCDM；即標準宇宙學模型）所取代。

在ΛCDM理論模型下，星系在暗物質暈的引力勢阱中形成。鄰近的暗物質暈在引力作用下不斷發生合并，從早期的小暗物質暈逐漸成長為大的暗物質暈，這個過程決定著星系和更大尺度結構的成長[2,3]。

基于ΛCDM理論的宇宙學流體數值模擬預言，宇宙早期的環境動蕩不安，星系之間的吞噬和合并頻繁且劇烈[4,5]。不難想象，在這樣的早期環境下，星系盤可能難以普遍存在。即便早期出現了星系盤，其盤結構恐怕也難以長期維持。

觀測上，學界曾普遍認為銀暈是銀河系最古老的結構，而銀盤大約在100億年前形成。這與河外星系的觀測結構似乎也不謀而合：過去觀測到的絕大多數河外盤星系紅移較低（紅移小于2），在更高紅移處卻很難尋覓盤星系的身影（天文學上，紅移是表征星系遠近的物理量；紅移越大，星系離我們越遠。由于光速有限，對越遠的天體我們看到的是越早時候發出來的光）。

然而，意外總是不時出現。銀河系內一些較為年老的貧金屬恒星被發現與相對富金屬的銀盤恒星具有相似的軌道運動學性質。這暗示著可能存在更老的銀盤結構。特別是近年來基于Gaia天體測量衛星和SDSS、LAMOST等地面望遠鏡光譜巡天數據的研究表明，當前銀暈中的大部分恒星來自一個跟早期銀河系發生碰撞，且被早期銀河系吞并的矮星系。這次大碰撞發生在約80億-110億年前，而人們據此推測，在這之前早期銀盤有可能已經出現[6,7,8]。

那么，這次大碰撞之前的早期銀河系到底是怎樣的？其形態結構是什么？恒星質量及形成歷史是怎樣的？這些問題仍不得而知，也成了最近幾年來銀河系和近場宇宙學研究的國際前沿熱點問題。

發現現存最古老的銀盤結構

由于銀河系恒星的星族構成和化學動力學性質十分復雜，揭開早期銀河結構面紗的關鍵在于直接測繪古老恒星的分布結構及其隨年齡的變化，但這很有挑戰性。

首先，這需要古老恒星的大樣本及精確的年代學信息。恒星年齡是最難精確測定的恒星物理量。幸運的是，近年來，基于LAMOST和Gaia巡天數據的研究在該問題上取得了重要進展，數十萬恒星的年齡被限定在10%的誤差范圍以內。同時，由于受觀測能力限制，實測恒星樣本具有較嚴重的選擇偏差效應，因此需要通過細致的統計建模來重構銀河系恒星分布的真實結構。

在本項研究中，團隊基于LAMOST和Gaia巡天數據構建了一個包含30萬顆恒星的精確年齡大樣本，進一步利用正向建模統計方法，重構出了古銀盤恒星的空間分布結構隨年齡的演化。

銀河系老齡恒星的空間分布結構參數。橫坐標為標長，縱坐標為標高。呈現出盤結構（標高小于標長）的恒星年齡高達130多億年。

（圖片來源：作者提供）

研究首次發現，對于年齡為130億-135億年的極古老恒星，其空間分布仍呈現出清晰的盤結構。這說明，古銀盤在宇宙剛誕生不久的數億年內就已經開始形成，并且在后續130多億年的星系演變過程中得以幸存下來[9]。這是目前已知最古老的星系盤。

研究進一步得出，這一極早期形成的星系盤恒星質量約為20億倍太陽質量。

事實上，自從導致銀暈形成的早期大碰撞被發現以來，多個國際團隊致力于根據恒星的化學和運動學性質尋找大碰撞之前的早期銀河系蹤跡，相繼發現了早期銀河系“土著”恒星成分Aurora（曙光女神）[10]、銀河系貧金屬古老心臟（old poor heart）[11]。這些“土著”恒星的運動學性質與暈族恒星相似，質量約為1億倍太陽質量。這小于本次發現的最古老銀盤的質量，表明后者可能是極早期銀河系的主導結構。

圖3 極早期銀盤示意圖

（圖片來源：LAMOST運行和發展中心）

研究人員用中國神話故事里開天辟地的人物“盤古”對這一最古老的銀盤結構進行命名，既一語雙關（“古盤”-“盤古”），也能以此向中華民族歷史上開天劈地的先輩們致敬。

“盤古”的高紅移孿生兄妹

近年來，詹姆斯·韋布紅外太空望遠鏡（JWST）和ALMA射電望遠鏡也陸續發現了紅移比過去大得多的河外盤星系。即便是紅移大于5的星系，盤結構仍相當普遍地存在，一些盤星系的紅移甚至達到了7以上（對應宇宙學回溯時間為130億年前）[12-16]。

這些高紅移的星系盤有可能是“盤古”的孿生兄妹。它們曾同時誕生，卻因宇宙膨脹而永久分離，再無音訊。由于只能看到這些高紅移星系盤剛誕生不久的樣子，我們無法直接得知它們是否像“盤古”那樣仍幸存到今天。本研究關于銀河系古銀盤的結構演化結果則可為它們的命運提供一些啟示。

研究發現，自“盤古”形成以后的50億年間，古銀盤恒星質量一直增長，直至80億年前停止形成，其間總共形成了200億倍太陽質量的恒星，峰值恒星形成率約為每年11倍太陽質量。古銀盤結構的演化則主要發生在垂直銀盤面的方向，這一演化效應可能由形成恒星的氣體垂直向下冷卻和恒星垂直向上加熱機制共同決定的[9]。

通過與星系流體數值模擬數據進行對比，研究進一步發現，實際的銀盤比數值模擬中的銀盤要更薄，表明銀河系實際經歷的早期演化環境比理論預期要更加寧靜。這對于“盤古”的高紅移孿生兄妹來講，也許是一個福音。

參考文獻：

1.Eggen, O. J., Lynden-Bell, D., and Sandage, A. R., Evidence from the motions of old stars that the Galaxy collapsed, 1962, Astrophysical Journal, 136, 748-766.

2.White, S. D. M. and Rees, M. J., Core condensation in heavy halos: a two-stage theory for galaxy formation and clustering, 1978, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 183, 341-358.

3.Mo, H. J., Mao, S. and White, S. D. M., The formation of galactic discs, 1998, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 295, 319-336.

4.Fakhouri, O. and Ma, C.-P., The nearly universal merger rate of dark matter haloes in ΛCDM cosmology, 2008, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 386, 577-592.

5.Sotillo-Ramos, D. et al. The merger and assembly histories of Milky Way- and M31-like galaxies with TNG50: disc survival through mergers. 2022, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 516, 5404–5427.

6.Belokurov, V. et al., Co-formation of the disc and the stellar halo, 2018, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 478, 611-619.

7.Helmi, A. et al., The merger that led to the formation of the Milky Way's inner stellar halo and thick disk, 2018, Nature, 563, 85-88.

8.Xiang, M. and Rix, H.-W., A time-resolved picture of our Milky Way's early formation history, 2022, Nature, 603, 599-603.

9.Xiang, M. et al., The formation and survival of the Milky Way's oldest stellar disk, 2024, Nature Astronomy.

10.Belokurov, V. and Kravtsov, A., From dawn till disc: Milky Way's turbulent youth revealed by the APOGEE+Gaia data, 2022, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 514, 689-714.

11.Rix, H.-W. et al., The Poor Old Heart of the Milky Way, 2022, The Astrophysical Journal, 941, 45-59.

12.Kartaltepe, J. S., et al., CEERS Key Paper. III. The Diversity of Galaxy Structure and Morphology at z = 3-9 with JWST, 2023, The Astrophysical Journal Letters, 946, L15-31.

13.Fujimoto, S. et al., Primordial Rotating Disk Composed of $\geq$15 Dense Star-Forming Clumps at Cosmic Dawn, 2024, arXiv:2402.18543.

14.William M. B. et al., A core in a star-forming disc as evidence of inside-out growth in the early Universe, 2024, Nature Astronomy.

15.Rowland, L. E. et al., REBELS-25: Discovery of a dynamically cold disc galaxy at z = 7.31, 2024, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

16.Mowla, L., et al., The Firefly Sparkle: The Earliest Stages of the Assembly of A Milky Way-type Galaxy in a 600 Myr Old Universe, 2024, eprint arXiv:2402.08696

來源: 中國科普博覽

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