银河系早期历史的新发现

　　银河下的郭守敬望远镜。（郭守敬望远镜官网图）
　　在晴朗的夜晚，美丽的银河曾经引发人类无数的遐思。一百年多来，随着天文学的不断发展，我们对银河系有了更加深入的认识。但是，围绕银河系的很多谜团还有待破解。
　　2022年3月24日，德国马克斯普朗克天文研究所的向茂盛博士和汉斯沃尔特里克斯（HansWalterRix）教授在《自然》（Nature）杂志上以封面文章的形式发表了对银河系早期形成和演化历史的最新研究成果。他们按照时间序列给出了银河系在130亿年里的演化图像，特别是揭示了在早期阶段发生的重大事件，改写了我们对于银河系早期历史的认识。
　　回溯130亿年
　　他们的这项研究基于中国科学院国家天文台的郭守敬望远镜（LAMOST）和欧洲空间局的盖亚空间望远镜（GaiaSpaceTelescope）获得的巡天观测数据。这两台望远镜作为地基巡天和空间巡天的代表，近年来都进行了卓有成效的巡天工作：郭守敬望远镜已经发布了千万量级的恒星光谱数据，而盖亚空间望远镜则获得了14亿颗恒星的位置和运动信息。向茂盛和里克斯以这些数据为基础，得到了迄今最为精确的大样本恒星年龄信息。
　　在这项研究中，他们选择易于确定形成时间的一类恒星亚巨星作为研究对象。亚巨星是处于恒星主序演化阶段向红巨星演化过程中的中间阶段的恒星，它们的温度和光度等可观测信息对于初始年龄极为敏感，因此可以通过测量这些信息来精确地确定它们的年龄。向茂盛和里克斯利用郭守敬望远镜的巡天数据，测定了700万颗恒星的大气参数，并根据盖亚空间望远镜的巡天数据得到了高精度的恒星光度和轨道运动学参数。在这之中，他们选择了25万颗亚巨星，测定出它们精确年龄，平均年龄精度达到7，而此前的大样本恒星典型年龄误差达到20或更大。
　　这25万颗恒星的空间覆盖范围达到3万光年，金属元素丰度从太阳金属含量的1300到太阳金属含量的3倍，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大样本恒星的高精度年龄，为研究银河系的形成和演化奠定了坚实的基础。需要注意的是，与通常的定义不同，在天文学研究中，研究人员把除氢和氦以外的元素都称作金属元素。
　　向茂盛和里克斯还把这25万颗恒星根据它们在银河系中的位置分成了两组。如果我们俯视银河系，银河系看起来是带旋臂的盘状；但如果我们侧视银河系，银河系则呈双凸透镜状，也就是类似于两个煎蛋背对背放在一起的样子。天文学家综合观测结果，给出了银河系结构的图像：银河系包括中心区域的银核（银河系的中心银心位于其中）、外围的银盘和范围更大的银晕。银盘包括一个相对较厚的厚盘和一个相对较薄且更延展的薄盘，包围银盘的球状结构则被称作银晕。
　　在他们的分组中，一组是形成于银河系薄盘中的恒星，另一组是形成于银河系厚盘和银晕中的恒星。他们发现，位于银河系不同位置的恒星在年龄上也有显著的区别。
　　在论文中，他们描述了这样一条银河系形成和演化的时间线：银河系厚盘的恒星在130亿年前开始形成，也就是大爆炸发生后8亿年。在此后长达50亿年的时间里，银河系中的厚盘和银晕逐渐形成，这是银河系演化的早期阶段。而距今80亿年则成为一个恒星形成的分水岭。在此之后，厚盘和银晕的恒星形成活动停止，银河系薄盘中的恒星开始形成，这是银河系演化的晚期阶段，这个阶段一直持续到今天。
　　他们在研究中指出，在整个早期阶段中，厚盘金属元素的含量增加了30倍。在这个时期开始的时候，一颗新生恒星金属元素的含量只有太阳含量的110，而到了这个时期的尾声，恒星中金属元素的含量就是太阳的3倍。因此，他们得出结论，厚盘恒星的年龄与金属元素含量有紧密的关系。
　　星系大碰撞
　　向茂盛和里克斯还发现，虽然厚盘恒星形成活动前后持续了50亿年，但大多数厚盘恒星来自于110亿年前的一次集中爆发。而他们认为，在110亿年前，银河系还发生了一个重大事件，这就是银河系和一个矮行星的碰撞与合并。在他们看来，恒星集中形成与星系碰撞在时间上几乎同时并非巧合，而是两个星系的碰撞激发了厚盘中的恒星形成活动，才产生了如此多的新恒星。银河系的恒星形成速率也在此时达到了最高纪录。
　　他们在这项最新研究中推算出的银河系与矮行星的碰撞时间要比此前估计的时间早了10亿年。2018年10月31日，荷兰格罗宁根大学的天文学家阿米娜赫米（AminaHelmi）等人曾在《自然》杂志上发表论文，公布了他们对银河系早期合并事件的研究结果，当时他们认为早期合并事件发生在100亿年前。
　　在这项研究中，赫米和同事分析了银河系中距离太阳3。3万光年以内的数万颗恒星的速度和位置，他们使用的同样是来自盖亚空间望远镜的数据。他们发现，与太阳和银河系中其他恒星绕银心旋转的方向不同，有大约3万颗恒星沿着相反的方向移动，也就是看起来向后移动。赫米指出，当这些恒星沿着相反方向移动的时候，这就告诉我们它们几乎不可能是和我们星系中的其他恒星在同一个地方形成的。
　　同时，他们还发现了第二个证据。他们在研究中利用阿帕契点天文台星系演化实验（ApachePointObservatoryGalacticEvolutionExperiment，APOGEE）的数据来分析这些恒星。这个实验是斯隆数字巡天（SloanDigitalSkySurvey，SDSS）的一部分，通过恒星的光谱来确定它们的化学组成和年龄。赫米等人发现，这些向后运行的恒星与太阳这样的恒星相比，重元素含量较低，这说明它们是在宇宙的早期形成的，也就是在大质量恒星和超新星在星系中散播重元素之前形成的。因此，他们确信，这些恒星是在银河系之外的其他地方形成的。
　　通过将观测结果与计算机模拟进行比较，赫米等人计算出在大约100亿年前，银河系与一个较小的星系发生了碰撞。这个星系的大小大约是银河系大小的2025，质量大约是太阳质量的6亿倍。他们同时认为，这次碰撞也能解释为什么银河系含有不同的组成部分：厚盘中含有年龄较大的恒星，薄盘中年轻的恒星组成了旋臂以及银晕，而目前银晕中的很多恒星就来自被吞噬的星系。
　　这个研究团队将被吞噬的星系命名为盖亚恩克拉多斯（GaiaEnceladus）。在希腊神话中，巨人恩克拉多斯（Enceladus）是地神盖亚（Gaia）和天神乌拉诺斯（Uranus）的儿子。传说，他被埋葬在意大利埃特纳山下，因此这个地区发生的地震就被归因于他。赫米等人这样命名的原因是：星系恩克拉多斯被埋葬在银河系中，也身在盖亚空间望远镜的数据中，同时它也是银河系百亿年来动荡不安的原因之一。
　　还原大历史
　　虽然人类一直对头顶的银河充满好奇并对银河系的起源提出了很多猜测，但在很长时间里，人类认为银河系就是整个宇宙。直到进入20世纪后，天文学家在更强大的观测工具的帮助下，才逐渐对银河系有了较为科学的认识。1920年4月26日，天文学家哈罗沙普利（HarlowShapley）和赫伯柯蒂斯（HeberCurtis）在美国华盛顿史密森自然历史博物馆进行了一场世纪天文大辩论。最终，在这场辩论中，二人在几个辩题上互有胜负：柯蒂斯提出的仙女座星云是银河系外独立星系的观点后来被埃德温哈勃（EdwinHubble）的观测所证实，银河系确实并非宇宙的全部；而沙普利则正确提出了太阳处在远离银河系中心的位置上。
　　现在我们认识到，银河系不仅不是宇宙的全部，而且只是宇宙中一个普通的星系。银河系中包含数千亿颗恒星，太阳也只是其中普通的一颗。但是，作为我们身居其中的星系，研究银河系的起源和演化对于我们认识宇宙中其他星系的起源与演化以及生命的起源等重大课题都具有非常重要的意义，因此一直是天文学家研究的重点，天文学家也一直在尝试还原银河系的百亿年历史。
　　目前，天文学家认为，银河系在演化的晚期阶段整体上处于比较平静的状态，再也没有发生过和其他星系碰撞的剧烈事件。但是，这种状态并不会一直持续下去。天文学家预测，在5亿年后，银河系将吞噬掉目前距银心5万光年的人马座矮星系。同时，目前距离地球大约250万光年的仙女星系正以相对太阳每秒300千米的速度向银河系移动，二者将在大约40亿年后发生碰撞，最终合并成一个椭圆星系。
　　天文学研究就像是时间旅行，既可以展望无尽的未来，也可以回望遥远的过去。向茂盛和里克斯的研究指出银河系最早的恒星形成于130亿年前，而2021年12月发射的詹姆斯韦布空间望远镜（JamesWebbSpaceTelescope）则能够望向距离地球超过135亿光年的宇宙深处。因此，向茂盛认为，这台望远镜有可能发现与刚刚形成的银河系厚盘一样的结构，从而验证他们的结论。
　　在还原银河系历史的过程中，向茂盛和里克斯的研究帮助我们勾勒出更加清晰的早期银河系形成和演化的图像。这是一个新的开始，在银河系的这部史书中，更多的精彩故事将会陆续呈现在我们眼前。
　　南方周末特约撰稿鞠强