新京報記者今天（3月24日）獲悉，基於郭守敬望遠鏡（LAMOST）和蓋亞望遠鏡（Gaia）的巡天觀測數據，研究人員獲取了迄今為止最為精確的大樣本恆星年齡信息，清晰描繪了銀河系幼年和青少年時期的形成與演化圖像——130億年前到80億年前銀河厚盤形成，110億年前銀暈形成，80億年前至今銀河薄盤形成。這一研究刷新了人們對銀河系早期形成歷史的認知。
北京時間3月24日，國際科學期刊《自然》以封面文章形式發佈了這一重要研究成果。
銀河系早期集成和演化圖像示意圖：138億年前宇宙大爆炸，130億年前厚盤開始形成，110億年前銀暈形成，80億年前至今銀河薄盤形成。圖/喻京川
兩架望遠鏡“珠聯璧合”，天文觀測大數據開啓銀河塵封歷史
夜空中美麗浩瀚的銀河，自古以來就引發了人們無盡的想象和探索。銀河系是無數宇宙島中一個普通盤星系，和其他類似星系一樣，它在過去的一百多億年間集成了上千億顆恆星。這些恆星根據位置的不同，主要分佈在幾個特徵結構上，包括核球、銀暈和銀盤，其中銀盤又包括一個幾何上相對較厚的厚盤和一個相對較薄且更延展的薄盤，太陽就處在薄盤上。
然而，銀河系的這些結構是在何時、如何形成的？又是如何組裝起來並演化成今天絢麗多姿的銀河的？這一系列起源問題一直是天文學家極力解決的科學謎團，同時也是世界範圍內多個地面和空間望遠鏡大規模天文巡天觀測計劃的主要科學目標。
過去的研究通常認為，銀河系在嬰兒時期（極早期）經歷了劇烈的形成過程，大量的貧金屬氣體塌縮（天文上把除氫和氦以外的元素都叫做金屬）或者富含氣體的星系間相互碰撞、併合形成了銀河系的恆星暈。然後氣體逐漸冷卻形成了早期銀盤，即銀河系厚盤。最後，隨着時間推移，氣體進一步冷卻，開始形成銀河系薄盤。薄盤的形成是一個持久而有序的過程，從大約80億-100億年前一直持續至今。
“也就是説，之前的研究，準確地説是在2018年以前的研究普遍認為，銀暈是早於銀盤形成的。”文章第一作者、德國馬普天文研究所的研究人員向茂盛博士告訴新京報記者。
然而，這些圖像主要來自數值模擬以及人們對碎片化觀測證據的推測。“2018年的一項研究顯示，實際圖像要比這個模式複雜，銀暈可能是早期銀河系吸積矮星系而來。”但是人們關於這個早期銀河系知之甚少，它長什麼樣？促使銀暈誕生的吸積併合事件又對它產生了什麼影響？
所幸，天文觀測大數據的湧現正在改寫銀河系演化圖像，開啓銀河塵封歷史的時代已經到來。
中國科學院國家天文台運行的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡，發佈了千萬量級的恆星光譜數據，成為數字化銀河的基石。歐洲空間局發射的天體測量衞星蓋亞望遠鏡則提供了14億顆恆星的高精度位置和移動地圖。二者珠聯璧合，為天文學家追溯銀河系的集成和演化歷史提供了得天獨厚的優勢。
獲取25萬顆亞巨星的精確年齡
基於郭守敬望遠鏡和蓋亞望遠鏡的數據，德國馬普天文研究所的研究人員向茂盛博士和Hans-Walter Rix教授構建了包含25萬顆亞巨星的高質量數據樣本，並獲取了它們的精確年齡。
恆星年齡是最難以精確測定的恆星物理量，也可以説是天文領域最難精確測量的物理量之一。“人類壽命不過百年，不可能對壽命長達百億年的恆星進行計時，所以科學家通過恆星的温度、光度、元素丰度（含量）來判斷它的年齡。”向茂盛説。
恆星很大程度上保留了它誕生時所處環境的化學成分，通過分析恆星的化學成分可以追溯它們的起源。恆星光譜就像是恆星的DNA，通過光譜，天文學家可以確定恆星的温度、金屬元素丰度（含量）等，破解恆星的“身世之謎”。
郭守敬望遠鏡可以同時觀測4000個天體，發佈了千萬量級的恆星光譜數據，得益於郭守敬望遠鏡銀河系巡天等項目的開展，獲取大樣本恆星的年齡已在過去幾年內逐漸成為現實。儘管解決了“大樣本”的問題，但之前的研究獲取的恆星平均年齡誤差為20%或更大，誤差為10%的恆星樣本很小，樣本的空間和參數範圍也十分受限。
“所以此次，我們選擇恆星中的亞巨星作為研究對象。”向茂盛解釋説，亞巨星是處於恆星主序演化階段向紅巨星演化階段短暫過渡的恆星，在知道元素丰度的情況下，其光度和年齡具有非常好的一一對應關係，而且不同年齡恆星的光度相差較大。因此一旦知道了它們的元素丰度和光度，它們的年齡就比較容易被精確測定。
但另一方面，恆星在亞巨星階段的演化十分迅速，處於確定年齡“窗口期”的亞巨星比較稀少。利用郭守敬望遠鏡光譜大數據，向茂盛精確測定了700萬顆恆星的大氣參數，並結合蓋亞望遠鏡數據得到了高精度的恆星光度和軌道運動學參數。從這700萬顆恆星中篩選出25萬顆亞巨星，測定出它們的精確年齡，樣本平均年齡誤差為7%，金屬元素丰度覆蓋範圍從-2.5（太陽金屬含量的300分之一）到0.5（太陽金屬含量的3倍），空間覆蓋範圍達3萬光年。
這是首次在銀河系如此廣闊的空間範圍和恆星金屬丰度範圍內，獲取如此大樣本恆星的高精度年齡，突破了數據的侷限性，為開展銀河系的形成與演化歷史研究跨出了標誌性的一步。
銀河系演化歷史分成兩個明確階段
按照運動特徵和化學DNA（元素丰度）鑑定，研究人員把這25萬顆恆星劃分成兩組：一組是形成於動力學相對寧靜過程的銀河系延展薄盤的恆星；另一組是形成於動力學劇烈湍動過程的銀暈和厚盤的恆星。
研究團隊發現，這兩組恆星的年齡以大約80億年為界，同樣被清晰地分成截然不同的兩組。也就是説，從時間上看，銀河系的集成和演化歷史分成兩個明確的階段，從130億年前到80億年前的早期階段和80億年前至今的晚期階段。早期階段形成了銀河系的厚盤和銀暈，晚期階段形成了銀河系薄盤。
超高的時間分辨率使得研究團隊得到了清晰的銀河系早期集成和增豐（金屬元素含量累積）圖像：銀河系厚盤恆星從130億年前就已經開始形成，這距離宇宙大爆炸僅僅過去8億年時間。最古老的厚盤恆星甚至要比銀河系內暈恆星年老約20億年（銀暈主要指內暈）。銀河系內暈結構被認為主要是“百手巨人”恩塞拉都斯矮星系（Gaia-Sausage-Enceladus，GSE）碰撞銀河系並被吸積併合時形成的。
“也就是説，早期厚盤比主要恆星銀暈結構早20億年形成。這也意味着，在回答銀暈和銀盤何時形成時，答案是——銀盤早於銀暈形成，這為早期銀河系形成提供了一幅時間軸上的清晰圖像。”向茂盛説。
矮星系撞擊事件加速厚盤形成
解決了“何時形成”的疑問，那麼銀暈和銀盤是“如何形成”的？
經過進一步研究，向茂盛等人發現，厚盤的形成一直持續了從130億年前到80億年前的大約50億年時間，其間金屬元素含量增加了30倍。然而，大多數厚盤恆星卻形成於約110億年前的一次集中爆發。與此同時，他們通過年齡數據研究發現，矮星系GSE與早期銀河系併合發生的時間大約也是在110億年前，這比前人認為的早了10億年。兩個年齡高度吻合，研究團隊認為這絕非偶然，而是強烈暗示了厚盤的恆星形成活動受到了GSE撞擊事件的顯著激發。
科研人員推斷，形成厚盤恆星的氣體大約在80億年前耗盡，厚盤形成停止。差不多與此同時，新的氣體開始從銀河系周圍聚集到一個更薄的盤上形成銀河系薄盤恆星。薄盤形成過程一直持續至今。
最終，一個時間軸上被精確刻畫的早期銀河系形成和演化圖像得以呈現。“把銀河系形成過程中發生的一系列重要事件放在精確的時間軸上，形成詳細的銀河系史冊，這對於認識和理解我們所在星系的集成和演化歷史是非常重要的，這也是目前這項工作的關鍵意義所在。”向茂盛強調。
銀河系作為普通星系的代表，是人類研究宇宙中一般星系形成與演化問題的“重點實驗室”，它可以幫助天文學家追溯從極早期宇宙一直到今天所發生的一個個精彩故事。
論文審稿人Timothy C. Beers評價這是目前最清晰的銀河系演化圖像。受《自然》雜誌邀請，Timothy C. Beers為該研究撰寫了評論文章，表示該研究通過一種創新的方法來估計恆星的出生日期（年齡），成功地幫助我們更好地瞭解銀河系是如何形成的。而且這種方法是可擴展的，隨着銀河系中更大樣本恆星的數據變得可用，這張圖片將變得更加清晰。
新京報記者 張璐
編輯 劉夢婕 校對 楊許麗