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據(jù)中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)發(fā)布，北京時(shí)間3月24日，國(guó)際科學(xué)期刊《自然》以封面文章形式發(fā)布了德國(guó)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(xiàng)重大成果?；谥袊?guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)運(yùn)行的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）和歐空局天體測(cè)量衛(wèi)星蓋亞望遠(yuǎn)鏡（Gaia）的巡天觀測(cè)數(shù)據(jù)，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(shí)間序列清晰還原了銀河系幼年和青少年時(shí)期的形成與演化圖像，改寫了人們對(duì)銀河系早期形成歷史的認(rèn)知。

3月24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(lái)就引發(fā)了人們無(wú)數(shù)的想象和無(wú)盡的探索。我們所在的銀河系是無(wú)數(shù)宇宙島中一個(gè)普通盤星系，和其它類似星系一樣，它在過(guò)去的一百多億年間集成了上千億顆恒星。這些恒星根據(jù)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(gè)幾何上相對(duì)較厚的厚盤和一個(gè)相對(duì)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(shí)間，如何形成，又是如何組裝起來(lái)并演化成今天絢麗多姿的銀河等系列起源問(wèn)題一直是天文家亟待解決的科學(xué)謎團(tuán)，同時(shí)也是世界范圍內(nèi)多個(gè)地面和空間望遠(yuǎn)鏡大規(guī)模天文巡天觀測(cè)計(jì)劃的主要科學(xué)目標(biāo)。

過(guò)去的研究通常認(rèn)為，我們的銀河系在嬰兒時(shí)期（極早期）經(jīng)歷了劇烈的形成過(guò)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(shí)間推移氣體進(jìn)一步冷卻，開始形成銀河系薄盤。薄盤的形成是一個(gè)持久而有序的過(guò)程，從大約80-100億年前一直持續(xù)至今。然而，這些圖像主要來(lái)自數(shù)值模擬以及人們對(duì)碎片化觀測(cè)證據(jù)的推測(cè)。所幸天文觀測(cè)大數(shù)據(jù)的涌現(xiàn)使得銀河系演化圖像正在被改寫，開啟銀河塵封歷史的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。

LAMOST發(fā)布千萬(wàn)量級(jí)的恒星光譜數(shù)據(jù)，成為數(shù)字化銀河的基石。歐空局發(fā)射的Gaia衛(wèi)星則提供了14億顆恒星的位置和移動(dòng)地圖。這樣的珠聯(lián)璧合為天文學(xué)家追溯銀河系的集成和演化歷史提供了得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

向茂盛博士和Rix教授基于LAMOST和Gaia數(shù)據(jù)，構(gòu)建了包含25萬(wàn)顆亞巨星的高質(zhì)量數(shù)據(jù)樣本，并獲取了它們的精確年齡。恒星年齡是最難以精確測(cè)定的恒星物理量，也可以說(shuō)是天文領(lǐng)域最難精確測(cè)量的物理量之一。得益于LAMOST銀河系巡天及國(guó)際上其它巡天項(xiàng)目的開展，獲取大樣本恒星的年齡已在過(guò)去幾年內(nèi)逐漸成為現(xiàn)實(shí)。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(shí)現(xiàn)10%年齡測(cè)定精度的恒星樣本很小，樣本的空間和參數(shù)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(guò)渡階段的恒星。其可觀測(cè)參數(shù)尤其是光度對(duì)于其初始質(zhì)量和年齡極為敏感，因此它們的年齡相對(duì)容易被精確測(cè)定。但是恒星在亞巨星階段的演化十分迅速，導(dǎo)致亞巨星比較稀少。利用LAMOST光譜大數(shù)據(jù)，向茂盛精確測(cè)定了700萬(wàn)顆恒星的大氣參數(shù)，并結(jié)合Gaia數(shù)據(jù)得到了高精度的恒星光度和軌道運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。從這700萬(wàn)恒星中篩選出25萬(wàn)顆亞巨星，測(cè)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(yáng)金屬含量的300分之一）到0.5（太陽(yáng)金屬含量的3倍），空間覆蓋范圍達(dá)3萬(wàn)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(nèi)獲取如此大樣本恒星的高精度年齡，成功突破了數(shù)據(jù)的局限性，為開展銀河系的形成與演化歷史研究跨出了標(biāo)志性的一步。

按照運(yùn)動(dòng)特征和化學(xué)DNA（元素豐度）鑒定，他們把這25萬(wàn)恒星劃分成兩組：一組表征為形成于動(dòng)力學(xué)相對(duì)寧?kù)o過(guò)程的銀河系延展薄盤的恒星；另一組形成于動(dòng)力學(xué)劇烈湍動(dòng)過(guò)程的銀暈和厚盤恒星。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，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(shuō)，從時(shí)間上看，銀河系的集成和演化歷史分成兩個(gè)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(shí)間分辨率使得研究團(tuán)隊(duì)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(jīng)開始形成，這距離宇宙大爆炸僅僅過(guò)去8億年時(shí)間（對(duì)應(yīng)宇宙學(xué)紅移為7）。最古老的厚盤星甚至要比銀河系內(nèi)暈恒星年老約10-20億年。銀河系內(nèi)暈結(jié)構(gòu)被認(rèn)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(shí)形成。也就是說(shuō)，早期厚盤要比今天我們看到的主要恒星銀暈結(jié)構(gòu)領(lǐng)先10-20億年形成，這刷新了對(duì)銀河系早期形成歷史的傳統(tǒng)認(rèn)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(jīng)進(jìn)一步研究，向茂盛等人還發(fā)現(xiàn)雖然厚盤的形成一直持續(xù)了從130億年前到80億年前的大約50億年時(shí)間，期間金屬元素含量增加了30倍。然而，雖然這個(gè)周期持續(xù)了50億年，但是作者發(fā)現(xiàn)大多數(shù)厚盤恒星卻形成于約110億年前的一次集中爆發(fā)。與此同時(shí)，他們通過(guò)年齡數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)矮星系GSE與早期銀河系并合發(fā)生的時(shí)間大約也是在110億年前，這比前人認(rèn)為的早了10億年。這兩個(gè)年齡高度吻合，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這絕非偶然，而是強(qiáng)烈暗示了厚盤的恒星形成活動(dòng)受到了GSE撞擊事件的顯著激發(fā)。

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(shí)，新的氣體開始從銀河系周圍聚集到一個(gè)更薄的盤上形成銀河系薄盤恒星。薄盤形成過(guò)程一直持續(xù)至今。

至此，一個(gè)時(shí)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(xiàn)，《自然》期刊審稿人評(píng)價(jià)該成果是第一次能夠?qū)︺y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(wèn)題的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，它可以幫助天文學(xué)家追溯從極早期宇宙一直到今天所發(fā)生的一個(gè)個(gè)精彩故事。