像銀河系這樣同時具有盤和暈的漩渦星系是先形成盤還是暈？這是了解星系如何起源和早期宇宙環境的關鍵問題。
中原標準時間10月10日，國際科學期刊《自然·天文》線上發表了由中國科學院國家天文台和德國馬普天文研究所等國内外機關聯合完成的一項成果。研究團隊基于國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡（LAMOST）以及歐空局蓋亞（Gaia）衛星資料，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距今約135億年前。該發現對深入了解星系和宇宙的早期起源和演化具有重要意義。
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先有銀盤還是先有銀暈？
暗能量和冷暗物質模型（ΛCDM）是近年來流行的星系和宇宙結構形成标準理論模型。該模型預言，宇宙早期環境動蕩不安，星系之間存在頻繁且劇烈的吞噬和合并現象，這可能使得早期星系盤難以存在和維持。
過去的觀測發現，絕大部分河外盤星系的紅移小于3，對應年齡小于110億年，而對于銀河系，長期以來人們也普遍認為銀暈是銀河系最古老的結構，而銀盤則晚于銀暈，于大約100億年前形成。
▲銀河系現存最古老的盤結構“盤古”想象圖。楊航 供圖
然而，近年來詹姆斯·韋布太空望遠鏡（JWST）令人驚奇地發現，星系盤可以出現在更高的紅移：即便是紅移大于5，對應年齡大于125億年的星系，盤結構仍相當普遍地存在。
同樣，對銀河系恒星化學運動學資料的研究也表明，一些年老貧金屬恒星具有與相對富金屬的銀盤恒星相似的軌道運動學性質，暗示銀盤出現的時間可能更早。
關于早期銀盤存在的資訊僅限于通過恒星化學運動學性質的猜測。由于缺乏古老恒星的統計大樣本及精确年代學資訊等原因，人們一直無法得知早期銀河系的真實結構及其演化曆史。
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發現現存最古老的星系盤
在本項研究中，科研團隊基于利用郭守敬望遠鏡（LAMOST）和蓋亞（Gaia）巡天資料擷取的迄今最精确的恒星年齡大樣本，結合統計模組化詳細重構出了銀盤恒星的空間分布結構随年齡的演化。
研究首次發現年齡為130億年-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内就已經開始形成，并且在後續130多億年的星系演變過程中得以幸存下來。這比此前詹姆斯·韋布太空望遠鏡（JWST）觀測到的盤結構形成更早，是目前已知最古老的星系盤。
▲銀河系老齡恒星的空間分布結構參數。橫坐标為标長，縱坐标為标高。呈現出盤結構（标高小于标長）的恒星年齡高達130多億年。
這一極早期形成的古銀盤成分用中國神話裡開天辟地的人物“盤古”命名。研究進一步得出“盤古”的恒星品質約為2×109（20億）倍太陽品質，遠大于早期銀暈的恒星品質，表明“盤古”可能為極早期銀河系的主導結構。
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揭秘早期銀盤的結構演化
該研究還揭示了古銀盤的恒星形成和結構演化曆史。發現自“盤古”形成以後的50億年間，古銀盤恒星品質一直增長，直至80億年前停止形成，期間總共形成了200億倍太陽品質的恒星，峰值恒星形成率約為11倍太陽品質/每年。
古銀盤結構演化主要發生在垂直銀盤面的方向，并解釋這一演化效應可能由形成恒星的氣體垂向冷卻（upside-down）和恒星垂向加熱（heating up）機制共同決定。通過與星系流體數值模拟資料進行對比，研究進一步發現，實際的銀盤比數值模拟中的銀盤要更薄，表明銀河系實際經曆的早期演化環境比理論預期要更加甯靜。
揭秘銀河系早期起源不僅加深了我們對自身家園星系曆史的認知，也為檢驗星系形成理論和了解早期宇宙環境提供了獨特視角。随着天文學進入巡天大資料新時代，銀河背後的諸多奧秘有望被逐一解開。
來源：中國科學院國家天文台責任編輯：王穎 曹旸