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天文學家基于LAMOST數據揭示銀河系早期形成和演化歷史

      北京時間3月24日,國際科學期刊《自然》以封面文章形式發布了德國馬普天文研究所的研究人員向茂盛博士和Hans-Walter Rix教授合作的一項重大成果?;谥袊茖W院國家天文臺運行的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡(LAMOST)和歐空局天體測量衛星蓋亞望遠鏡(Gaia)的巡天觀測數據,研究人員獲取了迄今最為精確的大樣本恒星年齡信息,按照時間序列清晰還原了銀河系幼年和青少年時期的形成與演化圖像,改寫了人們對銀河系早期形成歷史的認知。 

   

  324日刊《自然》雜志封面 - 追星人的銀河指南  

  夜空中美麗浩瀚的銀河,自古以來就引發了人們無數的想象和無盡的探索。我們所在的銀河系是無數宇宙島中一個普通盤星系,和其它類似星系一樣,它在過去的一百多億年間集成了上千億顆恒星。這些恒星根據位置的不同,主要分布在銀河系的銀暈和銀盤上,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。然而,銀河系的銀暈和銀盤是在什么時間,如何形成,又是如何組裝起來并演化成今天絢麗多姿的銀河等系列起源問題一直是天文家亟待解決的科學謎團,同時也是世界范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,我們的銀河系在嬰兒時期(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)或者是富含氣體的星系間相互碰撞和并合形成了銀河系的恒星暈。然后氣體逐漸冷卻形成了早期銀盤即銀河系厚盤。最后,隨著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80-100億年前一直持續至今。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。所幸天文觀測大數據的涌現使得銀河系演化圖像正在被改寫,開啟銀河塵封歷史的時代已經到來。 

  LAMOST發布千萬量級的恒星光譜數據,成為數字化銀河的基石。歐空局發射的Gaia衛星則提供了14億顆恒星的位置和移動地圖。這樣的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。 

   向茂盛博士和Rix教授基于LAMOSTGaia數據,構建了包含25萬顆亞巨星的高質量數據樣本,并獲取了它們的精確年齡。恒星年齡是最難以精確測定的恒星物理量,也可以說是天文領域最難精確測量的物理量之一。得益于LAMOST銀河系巡天及國際上其它巡天項目的開展,獲取大樣本恒星的年齡已在過去幾年內逐漸成為現實。但是,之前的研究所獲取的大樣本恒星典型年齡誤差為20%或更大,而實現10%年齡測定精度的恒星樣本很小,樣本的空間和參數范圍也十分受限。 

   亞巨星是處于恒星主序演化階段向紅巨星演化階段過渡階段的恒星。其可觀測參數尤其是光度對于其初始質量和年齡極為敏感,因此它們的年齡相對容易被精確測定。但是恒星在亞巨星階段的演化十分迅速,導致亞巨星比較稀少。利用LAMOST光譜大數據,向茂盛精確測定了700萬顆恒星的大氣參數,并結合Gaia數據得到了高精度的恒星光度和軌道運動學參數。從這700萬恒星中篩選出25萬顆亞巨星,測定出它們的精確年齡,樣本平均年齡精度為7%,金屬元素豐度覆蓋范圍從-2.5(從太陽金屬含量300分之一)到0.5(太陽金屬含量的3倍),空間覆蓋范圍達3萬光年。這是首次在銀河系如此廣闊的空間范圍和恒星金屬豐度范圍內獲取如此大樣本恒星的高精度年齡,成功突破了數據的局限性,為開展銀河系的形成與演化歷史研究跨出了標志性的一步。 

  按照運動特征和化學DNA(元素豐度)鑒定,他們把這25萬恒星劃分成兩組:一組表征為形成于動力學相對寧靜過程的銀河系延展薄盤的恒星;另一組形成于動力學劇烈湍動過程的銀暈和厚盤恒星。 

  研究團隊發現,這兩組恒星的年齡以大約80億年為界同樣清晰地被分成截然不同的兩組。也就是說,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圖像:銀河系厚盤恒星從130億年以前就已經開始形成,這距離宇宙大爆炸僅僅過去8億年時間(對應宇宙學紅移為7)。最古老的厚盤星甚至要比銀河系內暈恒星年老約10-20億年。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)碰撞銀河系并被吸積并合時形成。也就是說,早期厚盤要比今天我們看到的主要恒星銀暈結構領先10-20億年形成,這刷新了對銀河系早期形成歷史的傳統認知。 

   

  銀河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,80億前至今銀河薄盤形成。(圖源:喻京川)

  經進一步研究,向茂盛等人還發現雖然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,期間金屬元素含量增加了30倍。然而,雖然這個周期持續了50億年,但是作者發現大多數厚盤恒星卻形成于約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與早期銀河系并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。這兩個年齡高度吻合,研究團隊認為這絕非偶然,而是強烈暗示了厚盤的恒星形成活動受到了GSE撞擊事件的顯著激發。 

  形成厚盤恒星的氣體大約在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恒星。薄盤形成過程一直持續至今。 

  至此,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,《自然》期刊審稿人評價該成果是第一次能夠對銀河系的形成歷史提供如此清晰地描繪。 

  銀河系作為普通星系的代表,是我們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。 

  論文鏈接:www.nature.com/articles/s41586-022-04496-5。

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