宇宙誕生之初的“盤古”被發(fā)現(xiàn)，揭秘銀河系極早期的故事

出品：科普中國(guó)

作者：向茂盛（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

編者按：為拓展認(rèn)知邊界，科普中國(guó)前沿科技項(xiàng)目推出“未知之境”系列文章，縱覽深空、深地、深海等領(lǐng)域突破極限的探索成果。讓我們一起走進(jìn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)之旅，認(rèn)識(shí)令人驚嘆的世界。

像銀河系這樣同時(shí)具有盤和暈結(jié)構(gòu)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(huán)境的關(guān)鍵問題之一。

近期，在《自然·天文》發(fā)表的一項(xiàng)研究中，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)向茂盛研究員、劉繼峰研究員和德國(guó)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(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）以及歐空局Gaia衛(wèi)星數(shù)據(jù)，揭示了古銀盤的空間結(jié)構(gòu)演化，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)存最古老的銀盤結(jié)構(gòu)成分起源于130多億年前。研究團(tuán)隊(duì)將發(fā)現(xiàn)的這個(gè)最古老的銀盤結(jié)構(gòu)命名為“盤古”。該發(fā)現(xiàn)對(duì)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(lái)源：作者提供）

先有盤還是先有暈？

銀河系是宇宙中一個(gè)典型的漩渦狀盤星系。它包含銀盤、銀暈和核球等恒星結(jié)構(gòu)成分。其中，銀暈的體積最大，但其中恒星分布和運(yùn)動(dòng)雜亂無(wú)章。而銀盤的恒星最多，其分布和運(yùn)動(dòng)卻井然有序。那么，像銀河系這樣同時(shí)具有盤和暈結(jié)構(gòu)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(huán)境的關(guān)鍵問題之一。

銀河系結(jié)構(gòu)示意圖

（圖片來(lái)源：向茂盛繪制）

20世紀(jì)60年代提出的經(jīng)典模型認(rèn)為，星系早期結(jié)構(gòu)形成于氣體塌縮[1]。氣體狀態(tài)從無(wú)序到有序演變，這一過(guò)程驅(qū)動(dòng)星系先形成外圍的暈，然后形成了盤。然而，這一模型的統(tǒng)治地位后來(lái)被暗能量和冷暗物質(zhì)主導(dǎo)的結(jié)構(gòu)形成模型（ΛCDM；即標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型）所取代。

在ΛCDM理論模型下，星系在暗物質(zhì)暈的引力勢(shì)阱中形成。鄰近的暗物質(zhì)暈在引力作用下不斷發(fā)生合并，從早期的小暗物質(zhì)暈逐漸成長(zhǎng)為大的暗物質(zhì)暈，這個(gè)過(guò)程決定著星系和更大尺度結(jié)構(gòu)的成長(zhǎng)[2,3]。

基于ΛCDM理論的宇宙學(xué)流體數(shù)值模擬預(yù)言，宇宙早期的環(huán)境動(dòng)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(huán)境下，星系盤可能難以普遍存在。即便早期出現(xiàn)了星系盤，其盤結(jié)構(gòu)恐怕也難以長(zhǎng)期維持。

觀測(cè)上，學(xué)界曾普遍認(rèn)為銀暈是銀河系最古老的結(jié)構(gòu)，而銀盤大約在100億年前形成。這與河外星系的觀測(cè)結(jié)構(gòu)似乎也不謀而合：過(guò)去觀測(cè)到的絕大多數(shù)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(xué)上，紅移是表征星系遠(yuǎn)近的物理量；紅移越大，星系離我們?cè)竭h(yuǎn)。由于光速有限，對(duì)越遠(yuǎn)的天體我們看到的是越早時(shí)候發(fā)出來(lái)的光）。

然而，意外總是不時(shí)出現(xiàn)。銀河系內(nèi)一些較為年老的貧金屬恒星被發(fā)現(xiàn)與相對(duì)富金屬的銀盤恒星具有相似的軌道運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì)。這暗示著可能存在更老的銀盤結(jié)構(gòu)。特別是近年來(lái)基于Gaia天體測(cè)量衛(wèi)星和SDSS、LAMOST等地面望遠(yuǎn)鏡光譜巡天數(shù)據(jù)的研究表明，當(dāng)前銀暈中的大部分恒星來(lái)自一個(gè)跟早期銀河系發(fā)生碰撞，且被早期銀河系吞并的矮星系。這次大碰撞發(fā)生在約80億-110億年前，而人們據(jù)此推測(cè)，在這之前早期銀盤有可能已經(jīng)出現(xiàn)[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(tài)結(jié)構(gòu)是什么？恒星質(zhì)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(lái)銀河系和近場(chǎng)宇宙學(xué)研究的國(guó)際前沿?zé)狳c(diǎn)問題。

發(fā)現(xiàn)現(xiàn)存最古老的銀盤結(jié)構(gòu)

由于銀河系恒星的星族構(gòu)成和化學(xué)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)十分復(fù)雜，揭開早期銀河結(jié)構(gòu)面紗的關(guān)鍵在于直接測(cè)繪古老恒星的分布結(jié)構(gòu)及其隨年齡的變化，但這很有挑戰(zhàn)性。

首先，這需要古老恒星的大樣本及精確的年代學(xué)信息。恒星年齡是最難精確測(cè)定的恒星物理量。幸運(yùn)的是，近年來(lái)，基于LAMOST和Gaia巡天數(shù)據(jù)的研究在該問題上取得了重要進(jìn)展，數(shù)十萬(wàn)恒星的年齡被限定在10%的誤差范圍以內(nèi)。同時(shí)，由于受觀測(cè)能力限制，實(shí)測(cè)恒星樣本具有較嚴(yán)重的選擇偏差效應(yīng)，因此需要通過(guò)細(xì)致的統(tǒng)計(jì)建模來(lái)重構(gòu)銀河系恒星分布的真實(shí)結(jié)構(gòu)。

在本項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)基于LAMOST和Gaia巡天數(shù)據(jù)構(gòu)建了一個(gè)包含30萬(wàn)顆恒星的精確年齡大樣本，進(jìn)一步利用正向建模統(tǒng)計(jì)方法，重構(gòu)出了古銀盤恒星的空間分布結(jié)構(gòu)隨年齡的演化。

銀河系老齡恒星的空間分布結(jié)構(gòu)參數(shù)。橫坐標(biāo)為標(biāo)長(zhǎng)，縱坐標(biāo)為標(biāo)高。呈現(xiàn)出盤結(jié)構(gòu)（標(biāo)高小于標(biāo)長(zhǎng)）的恒星年齡高達(dá)130多億年。

（圖片來(lái)源：作者提供）

研究首次發(fā)現(xiàn)，對(duì)于年齡為130億-135億年的極古老恒星，其空間分布仍呈現(xiàn)出清晰的盤結(jié)構(gòu)。這說(shuō)明，古銀盤在宇宙剛誕生不久的數(shù)億年內(nèi)就已經(jīng)開始形成，并且在后續(xù)130多億年的星系演變過(guò)程中得以幸存下來(lái)[9]。這是目前已知最古老的星系盤。

研究進(jìn)一步得出，這一極早期形成的星系盤恒星質(zhì)量約為20億倍太陽(yáng)質(zhì)量。

事實(shí)上，自從導(dǎo)致銀暈形成的早期大碰撞被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，多個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)致力于根據(jù)恒星的化學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì)尋找大碰撞之前的早期銀河系蹤跡，相繼發(fā)現(xiàn)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(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì)與暈族恒星相似，質(zhì)量約為1億倍太陽(yáng)質(zhì)量。這小于本次發(fā)現(xiàn)的最古老銀盤的質(zhì)量，表明后者可能是極早期銀河系的主導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

圖3 極早期銀盤示意圖

（圖片來(lái)源：LAMOST運(yùn)行和發(fā)展中心）

研究人員用中國(guó)神話故事里開天辟地的人物“盤古”對(duì)這一最古老的銀盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行命名，既一語(yǔ)雙關(guān)（“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(lái)，詹姆斯·韋布紅外太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）和ALMA射電望遠(yuǎn)鏡也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了紅移比過(guò)去大得多的河外盤星系。即便是紅移大于5的星系，盤結(jié)構(gòu)仍相當(dāng)普遍地存在，一些盤星系的紅移甚至達(dá)到了7以上（對(duì)應(yīng)宇宙學(xué)回溯時(shí)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?cè)瑫r(shí)誕生，卻因宇宙膨脹而永久分離，再無(wú)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(wú)法直接得知它們是否像“盤古”那樣仍幸存到今天。本研究關(guān)于銀河系古銀盤的結(jié)構(gòu)演化結(jié)果則可為它們的命運(yùn)提供一些啟示。

研究發(fā)現(xiàn)，自“盤古”形成以后的50億年間，古銀盤恒星質(zhì)量一直增長(zhǎng)，直至80億年前停止形成，其間總共形成了200億倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，峰值恒星形成率約為每年11倍太陽(yáng)質(zhì)量。古銀盤結(jié)構(gòu)的演化則主要發(fā)生在垂直銀盤面的方向，這一演化效應(yīng)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(jī)制共同決定的[9]。

通過(guò)與星系流體數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，實(shí)際的銀盤比數(shù)值模擬中的銀盤要更薄，表明銀河系實(shí)際經(jīng)歷的早期演化環(huán)境比理論預(yù)期要更加寧?kù)o。這對(duì)于“盤古”的高紅移孿生兄妹來(lái)講，也許是一個(gè)福音。

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