出品：科普中国

作者：向茂盛（中国科学院国家天文台）

监制：中国科普博览

编者按：为拓展认知边界，科普中国前沿科技项目推出“未知之境”系列文章，纵览深空、深地、深海等领域突破极限的探索成果。让我们一起走进科学发现之旅，认识令人惊叹的世界。

像银河系这样同时具有盘和晕结构的星系是怎么形成的？是先形成盘还是晕？这是理解星系如何起源和早期宇宙环境的关键问题之一。

近期，在《自然·天文》发表的一项研究中，中国科学院国家天文台向茂盛研究员、刘继峰研究员和德国马普天文研究所的汉斯-沃特·瑞克斯（Hans-Walter Rix）教授等人合作，基于国家重大科技基础设施郭守敬望远镜（LAMOST）以及欧空局Gaia卫星数据，揭示了古银盘的空间结构演化，发现现存最古老的银盘结构成分起源于130多亿年前。研究团队将发现的这个最古老的银盘结构命名为“盘古”。该发现对深入理解星系和宇宙的早期起源和演化具有重要意义。

论文截图

（图片来源：作者提供）

先有盘还是先有晕？

银河系是宇宙中一个典型的漩涡状盘星系。它包含银盘、银晕和核球等恒星结构成分。其中，银晕的体积最大，但其中恒星分布和运动杂乱无章。而银盘的恒星最多，其分布和运动却井然有序。那么，像银河系这样同时具有盘和晕结构的星系是怎么形成的？早期是先形成盘还是晕？这是理解星系如何起源和早期宇宙环境的关键问题之一。

银河系结构示意图

（图片来源：向茂盛绘制）

20世纪60年代提出的经典模型认为，星系早期结构形成于气体塌缩[1]。气体状态从无序到有序演变，这一过程驱动星系先形成外围的晕，然后形成了盘。然而，这一模型的统治地位后来被暗能量和冷暗物质主导的结构形成模型（ΛCDM；即标准宇宙学模型）所取代。

在ΛCDM理论模型下，星系在暗物质晕的引力势阱中形成。邻近的暗物质晕在引力作用下不断发生合并，从早期的小暗物质晕逐渐成长为大的暗物质晕，这个过程决定着星系和更大尺度结构的成长[2,3]。

基于ΛCDM理论的宇宙学流体数值模拟预言，宇宙早期的环境动荡不安，星系之间的吞噬和合并频繁且剧烈[4,5]。不难想象，在这样的早期环境下，星系盘可能难以普遍存在。即便早期出现了星系盘，其盘结构恐怕也难以长期维持。

观测上，学界曾普遍认为银晕是银河系最古老的结构，而银盘大约在100亿年前形成。这与河外星系的观测结构似乎也不谋而合：过去观测到的绝大多数河外盘星系红移较低（红移小于2），在更高红移处却很难寻觅盘星系的身影（天文学上，红移是表征星系远近的物理量；红移越大，星系离我们越远。由于光速有限，对越远的天体我们看到的是越早时候发出来的光）。

然而，意外总是不时出现。银河系内一些较为年老的贫金属恒星被发现与相对富金属的银盘恒星具有相似的轨道运动学性质。这暗示着可能存在更老的银盘结构。特别是近年来基于Gaia天体测量卫星和SDSS、LAMOST等地面望远镜光谱巡天数据的研究表明，当前银晕中的大部分恒星来自一个跟早期银河系发生碰撞，且被早期银河系吞并的矮星系。这次大碰撞发生在约80亿-110亿年前，而人们据此推测，在这之前早期银盘有可能已经出现[6,7,8]。

那么，这次大碰撞之前的早期银河系到底是怎样的？其形态结构是什么？恒星质量及形成历史是怎样的？这些问题仍不得而知，也成了最近几年来银河系和近场宇宙学研究的国际前沿热点问题。

发现现存最古老的银盘结构

由于银河系恒星的星族构成和化学动力学性质十分复杂，揭开早期银河结构面纱的关键在于直接测绘古老恒星的分布结构及其随年龄的变化，但这很有挑战性。

首先，这需要古老恒星的大样本及精确的年代学信息。恒星年龄是最难精确测定的恒星物理量。幸运的是，近年来，基于LAMOST和Gaia巡天数据的研究在该问题上取得了重要进展，数十万恒星的年龄被限定在10%的误差范围以内。同时，由于受观测能力限制，实测恒星样本具有较严重的选择偏差效应，因此需要通过细致的统计建模来重构银河系恒星分布的真实结构。

在本项研究中，团队基于LAMOST和Gaia巡天数据构建了一个包含30万颗恒星的精确年龄大样本，进一步利用正向建模统计方法，重构出了古银盘恒星的空间分布结构随年龄的演化。

银河系老龄恒星的空间分布结构参数。横坐标为标长，纵坐标为标高。呈现出盘结构（标高小于标长）的恒星年龄高达130多亿年。

（图片来源：作者提供）

研究首次发现，对于年龄为130亿-135亿年的极古老恒星，其空间分布仍呈现出清晰的盘结构。这说明，古银盘在宇宙刚诞生不久的数亿年内就已经开始形成，并且在后续130多亿年的星系演变过程中得以幸存下来[9]。这是目前已知最古老的星系盘。

研究进一步得出，这一极早期形成的星系盘恒星质量约为20亿倍太阳质量。

事实上，自从导致银晕形成的早期大碰撞被发现以来，多个国际团队致力于根据恒星的化学和运动学性质寻找大碰撞之前的早期银河系踪迹，相继发现了早期银河系“土著”恒星成分Aurora（曙光女神）[10]、银河系贫金属古老心脏（old poor heart）[11]。这些“土著”恒星的运动学性质与晕族恒星相似，质量约为1亿倍太阳质量。这小于本次发现的最古老银盘的质量，表明后者可能是极早期银河系的主导结构。

图3 极早期银盘示意图

（图片来源：LAMOST运行和发展中心）

研究人员用中国神话故事里开天辟地的人物“盘古”对这一最古老的银盘结构进行命名，既一语双关（“古盘”-“盘古”），也能以此向中华民族历史上开天劈地的先辈们致敬。

“盘古”的高红移孪生兄妹

近年来，詹姆斯·韦布红外太空望远镜（JWST）和ALMA射电望远镜也陆续发现了红移比过去大得多的河外盘星系。即便是红移大于5的星系，盘结构仍相当普遍地存在，一些盘星系的红移甚至达到了7以上（对应宇宙学回溯时间为130亿年前）[12-16]。

这些高红移的星系盘有可能是“盘古”的孪生兄妹。它们曾同时诞生，却因宇宙膨胀而永久分离，再无音讯。由于只能看到这些高红移星系盘刚诞生不久的样子，我们无法直接得知它们是否像“盘古”那样仍幸存到今天。本研究关于银河系古银盘的结构演化结果则可为它们的命运提供一些启示。

研究发现，自“盘古”形成以后的50亿年间，古银盘恒星质量一直增长，直至80亿年前停止形成，其间总共形成了200亿倍太阳质量的恒星，峰值恒星形成率约为每年11倍太阳质量。古银盘结构的演化则主要发生在垂直银盘面的方向，这一演化效应可能由形成恒星的气体垂直向下冷却和恒星垂直向上加热机制共同决定的[9]。

通过与星系流体数值模拟数据进行对比，研究进一步发现，实际的银盘比数值模拟中的银盘要更薄，表明银河系实际经历的早期演化环境比理论预期要更加宁静。这对于“盘古”的高红移孪生兄妹来讲，也许是一个福音。

参考文献：

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

来源: 中国科普博览

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