銀河系早期曆史的新發現

銀河下的郭守敬望遠鏡。（郭守敬望遠鏡官網/圖）

在晴朗的夜晚，美麗的銀河曾經引發人類無數的遐思。一百年多來，随着天文學的不斷發展，我們對銀河系有了更加深入的認識。但是，圍繞銀河系的很多謎團還有待破解。

2022年3月24日，德國馬克斯普朗克天文研究所的向茂盛博士和漢斯-沃爾特·裡克斯（Hans-Walter Rix）教授在《自然》（Nature）雜志上以封面文章的形式發表了對銀河系早期形成和演化曆史的最新研究成果。他們按照時間序列給出了銀河系在130億年裡的演化圖像，特别是揭示了在早期階段發生的重大事件，改寫了我們對于銀河系早期曆史的認識。

回溯130億年

他們的這項研究基于中國科學院國家天文台的郭守敬望遠鏡（LAMOST）和歐洲空間局的蓋亞空間望遠鏡（Gaia Space Telescope）獲得的巡天觀測資料。這兩台望遠鏡作為地基巡天和空間巡天的代表，近年來都進行了卓有成效的巡天工作：郭守敬望遠鏡已經釋出了千萬量級的恒星光譜資料，而蓋亞空間望遠鏡則獲得了14億顆恒星的位置和運動資訊。向茂盛和裡克斯以這些資料為基礎，得到了迄今最為精确的大樣本恒星年齡資訊。

在這項研究中，他們選擇易于确定形成時間的一類恒星——亞巨星作為研究對象。亞巨星是處于恒星主序演化階段向紅巨星演化過程中的中間階段的恒星，它們的溫度和光度等可觀測資訊對于初始年齡極為敏感，是以可以通過測量這些資訊來精确地确定它們的年齡。向茂盛和裡克斯利用郭守敬望遠鏡的巡天資料，測定了700萬顆恒星的大氣參數，并根據蓋亞空間望遠鏡的巡天資料得到了高精度的恒星光度和軌道運動學參數。在這之中，他們選擇了25萬顆亞巨星，測定出它們精确年齡，平均年齡精度達到7%，而此前的大樣本恒星典型年齡誤差達到20%或更大。

這25萬顆恒星的空間覆寫範圍達到3萬光年，金屬元素豐度從太陽金屬含量的1/300到太陽金屬含量的3倍，這是首次在銀河系如此廣闊的空間範圍和恒星金屬豐度範圍内擷取大樣本恒星的高精度年齡，為研究銀河系的形成和演化奠定了堅實的基礎。需要注意的是，與通常的定義不同，在天文學研究中，研究人員把除氫和氦以外的元素都稱作“金屬元素”。

向茂盛和裡克斯還把這25萬顆恒星根據它們在銀河系中的位置分成了兩組。如果我們俯視銀河系，銀河系看起來是帶旋臂的盤狀；但如果我們側視銀河系，銀河系則呈雙凸透鏡狀，也就是類似于兩個煎蛋背對背放在一起的樣子。天文學家綜合觀測結果，給出了銀河系結構的圖像：銀河系包括中心區域的銀核（銀河系的中心——銀心位于其中）、外圍的銀盤和範圍更大的銀暈。銀盤包括一個相對較厚的厚盤和一個相對較薄且更延展的薄盤，包圍銀盤的球狀結構則被稱作銀暈。

在他們的分組中，一組是形成于銀河系薄盤中的恒星，另一組是形成于銀河系厚盤和銀暈中的恒星。他們發現，位于銀河系不同位置的恒星在年齡上也有顯著的差別。

在論文中，他們描述了這樣一條銀河系形成和演化的時間線：銀河系厚盤的恒星在130億年前開始形成，也就是大爆炸發生後8億年。在此後長達50億年的時間裡，銀河系中的厚盤和銀暈逐漸形成，這是銀河系演化的早期階段。而距今80億年則成為一個恒星形成的分水嶺。在此之後，厚盤和銀暈的恒星形成活動停止，銀河系薄盤中的恒星開始形成，這是銀河系演化的晚期階段，這個階段一直持續到今天。

他們在研究中指出，在整個早期階段中，厚盤金屬元素的含量增加了30倍。在這個時期開始的時候，一顆新生恒星金屬元素的含量隻有太陽含量的1/10，而到了這個時期的尾聲，恒星中金屬元素的含量就是太陽的3倍。是以，他們得出結論，厚盤恒星的年齡與金屬元素含量有緊密的關系。

星系大碰撞

向茂盛和裡克斯還發現，雖然厚盤恒星形成活動前後持續了50億年，但大多數厚盤恒星來自于110億年前的一次集中爆發。而他們認為，在110億年前，銀河系還發生了一個重大事件，這就是銀河系和一個矮行星的碰撞與合并。在他們看來，恒星集中形成與星系碰撞在時間上幾乎同時并非巧合，而是兩個星系的碰撞激發了厚盤中的恒星形成活動，才産生了如此多的新恒星。銀河系的恒星形成速率也在此時達到了最高紀錄。

他們在這項最新研究中推算出的銀河系與矮行星的碰撞時間要比此前估計的時間早了10億年。2018年10月31日，荷蘭格羅甯根大學的天文學家阿米娜·赫米（Amina Helmi）等人曾在《自然》雜志上發表論文，公布了他們對銀河系早期合并事件的研究結果，當時他們認為早期合并事件發生在100億年前。

在這項研究中，赫米和同僚分析了銀河系中距離太陽3.3萬光年以内的數萬顆恒星的速度和位置，他們使用的同樣是來自蓋亞空間望遠鏡的資料。他們發現，與太陽和銀河系中其他恒星繞銀心旋轉的方向不同，有大約3萬顆恒星沿着相反的方向移動，也就是看起來向後移動。赫米指出，當這些恒星沿着相反方向移動的時候，這就告訴我們它們幾乎不可能是和我們星系中的其他恒星在同一個地方形成的。

同時，他們還發現了第二個證據。他們在研究中利用阿帕契點天文台星系演化實驗（Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment，APOGEE）的資料來分析這些恒星。這個實驗是斯隆數字巡天（Sloan Digital Sky Survey，SDSS）的一部分，通過恒星的光譜來确定它們的化學組成和年齡。赫米等人發現，這些向後運作的恒星與太陽這樣的恒星相比，重元素含量較低，這說明它們是在宇宙的早期形成的，也就是在大品質恒星和超新星在星系中散播重元素之前形成的。是以，他們确信，這些恒星是在銀河系之外的其他地方形成的。

通過将觀測結果與計算機模拟進行比較，赫米等人計算出在大約100億年前，銀河系與一個較小的星系發生了碰撞。這個星系的大小大約是銀河系大小的20%~25%，品質大約是太陽品質的6億倍。他們同時認為，這次碰撞也能解釋為什麼銀河系含有不同的組成部分：厚盤中含有年齡較大的恒星，薄盤中年輕的恒星組成了旋臂以及銀暈，而目前銀暈中的很多恒星就來自被吞噬的星系。

這個研究團隊将被吞噬的星系命名為“蓋亞—恩克拉多斯”（Gaia-Enceladus）。在希臘神話中，巨人恩克拉多斯（Enceladus）是地神蓋亞（Gaia）和天神烏拉諾斯（Uranus）的兒子。傳說，他被埋葬在意大利埃特納山下，是以這個地區發生的地震就被歸因于他。赫米等人這樣命名的原因是：星系恩克拉多斯被埋葬在銀河系中，也身在蓋亞空間望遠鏡的資料中，同時它也是銀河系百億年來動蕩不安的原因之一。

還原大曆史

雖然人類一直對頭頂的銀河充滿好奇并對銀河系的起源提出了很多猜測，但在很長時間裡，人類認為銀河系就是整個宇宙。直到進入20世紀後，天文學家在更強大的觀測工具的幫助下，才逐漸對銀河系有了較為科學的認識。1920年4月26日，天文學家哈羅·沙普利（Harlow Shapley）和赫伯·柯蒂斯（Heber Curtis）在美國華盛頓史密森自然曆史博物館進行了一場“世紀天文大辯論”。最終，在這場辯論中，二人在幾個辯題上互有勝負：柯蒂斯提出的仙女座星雲是銀河系外獨立星系的觀點後來被埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）的觀測所證明，銀河系确實并非宇宙的全部；而沙普利則正确提出了太陽處在遠離銀河系中心的位置上。

現在我們認識到，銀河系不僅不是宇宙的全部，而且隻是宇宙中一個普通的星系。銀河系中包含數千億顆恒星，太陽也隻是其中普通的一顆。但是，作為我們身居其中的星系，研究銀河系的起源和演化對于我們認識宇宙中其他星系的起源與演化以及生命的起源等重大課題都具有非常重要的意義，是以一直是天文學家研究的重點，天文學家也一直在嘗試還原銀河系的百億年曆史。

目前，天文學家認為，銀河系在演化的晚期階段整體上處于比較平靜的狀态，再也沒有發生過和其他星系碰撞的劇烈事件。但是，這種狀态并不會一直持續下去。天文學家預測，在5億年後，銀河系将吞噬掉目前距銀心5萬光年的人馬座矮星系。同時，目前距離地球大約250萬光年的仙女星系正以相對太陽每秒300千米的速度向銀河系移動，二者将在大約40億年後發生碰撞，最終合并成一個橢圓星系。

天文學研究就像是時間旅行，既可以展望無盡的未來，也可以回望遙遠的過去。向茂盛和裡克斯的研究指出銀河系最早的恒星形成于130億年前，而2021年12月發射的詹姆斯·韋布空間望遠鏡（James Webb Space Telescope）則能夠望向距離地球超過135億光年的宇宙深處。是以，向茂盛認為，這台望遠鏡有可能發現與剛剛形成的銀河系厚盤一樣的結構，進而驗證他們的結論。

在還原銀河系曆史的過程中，向茂盛和裡克斯的研究幫助我們勾勒出更加清晰的早期銀河系形成和演化的圖像。這是一個新的開始，在銀河系的這部史書中，更多的精彩故事将會陸續呈現在我們眼前。

南方周末特約撰稿 鞠強