《自然》：天文學(xué)家基于郭守敬望遠(yuǎn)鏡LAMOST數(shù)據(jù)揭示銀河系早期形成和演化歷史

2025-12-08 04:12:45 分類：時尚 閱讀(74434)

3月24日刊《自然》雜志封面 - 追星人的銀河指南 

銀河早期集成和演化圖像示意圖：138億年前宇宙大爆炸，遠(yuǎn)鏡銀河演化130億年前厚盤開始形成，數(shù)據(jù)110億年前銀暈形成，期形80億前至今銀河薄盤形成。成和（圖源：喻京川）
（神秘的歷史地球uux.cn報道）據(jù)中國科學(xué)院國家天文臺：北京時間3月24日，國際科學(xué)期刊《自然》以封面文章形式發(fā)布了德國馬普天文研究所的天文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。基于中國科學(xué)院國家天文臺運(yùn)行的學(xué)家系早國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）和歐空局天體測量衛(wèi)星蓋亞望遠(yuǎn)鏡（Gaia）的巡天觀測數(shù)據(jù)，研究人員獲取了迄今最為精確的基于敬望揭示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郭守形成與演化圖像，改寫了人們對銀河系早期形成歷史的遠(yuǎn)鏡銀河演化認(rèn)知。 
夜空中美麗浩瀚的數(shù)據(jù)銀河，自古以來就引發(fā)了人們無數(shù)的想象和無盡的探索。我們所在的銀河系是無數(shù)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(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(xué)謎團(tuán)，同時也是世界范圍內(nèi)多個地面和空間望遠(yuǎn)鏡大規(guī)模天文巡天觀測計(jì)劃的主要科學(xué)目標(biāo)。 
過去的研究通常認(rèn)為，我們的銀河系在嬰兒時期（極早期）經(jīng)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(jìn)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(xù)至今。然而，這些圖像主要來自數(shù)值模擬以及人們對碎片化觀測證據(jù)的推測。所幸天文觀測大數(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代已經(jīng)到來。 
LAMOST發(fā)布千萬量級的恒星光譜數(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。 
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定的恒星物理量，也可以說是天文領(lǐng)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(xiàng)目的開展，獲取大樣本恒星的年齡已在過去幾年內(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渡階段的恒星。其可觀測參數(shù)尤其是光度對于其初始質(zhì)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(dǎo)致亞巨星比較稀少。利用LAMOST光譜大數(shù)據(jù)，向茂盛精確測定了700萬顆恒星的大氣參數(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)動學(xué)參數(shù)。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（從太陽金屬含量的300分之一）到0.5（太陽金屬含量的3倍），空間覆蓋范圍達(dá)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(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)動特征和化學(xué)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(xué)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(xué)劇烈湍動過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，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(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去8億年時間（對應(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(jié)構(gòu)領(lǐng)先10-20億年形成，這刷新了對銀河系早期形成歷史的傳統(tǒng)認(rèn)知。 
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50億年時間，期間金屬元素含量增加了30倍。然而，雖然這個周期持續(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，他們通過年齡數(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，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(xù)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(xiàn)，《自然》期刊審稿人評價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)生的一個個精彩故事。 
論文鏈接：www.nature.com/articles/s41586-022-04496-5
相關(guān)報道：LAMOST成果登《自然》封面 25萬顆恒星書寫銀河系演化時間軸
（神秘的地球uux.cn報道）據(jù)中國科學(xué)報（甘曉）：過去100多億年間，我們所在的銀河系集成了上千億顆恒星，主要分布在銀河系中心核球、銀暈和銀盤上。銀暈和銀盤在什么時間、如何形成，又是如何演化成今天絢麗多姿的銀河？
北京時間3月24日，《自然》封面發(fā)布了基于中國科學(xué)院國家天文臺運(yùn)行的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）和歐空局天體測量衛(wèi)星蓋亞望遠(yuǎn)鏡（Gaia）的巡天觀測數(shù)據(jù)取得的研究成果。德國馬普天文研究所向茂盛博士和Hans-Walter Rix教授等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。
研究表明，距離宇宙大爆炸僅僅過去8億年的130億年前，銀河系厚盤開始形成，110億年前銀暈形成，80億年前至今銀河薄盤形成。這一結(jié)果刷新了人們對銀河系早期形成歷史的認(rèn)知。
天文大數(shù)據(jù)開啟塵封歷史
過去的研究認(rèn)為，銀河系在“嬰兒時期”極早期由貧金屬氣體塌縮或者富含氣體的星系間相互碰撞和并合形成銀河系恒星暈，氣體逐漸冷卻形成銀河系厚盤，進(jìn)一步冷卻形成銀河系薄盤。薄盤形成持久而有序，從大約80-100億年前一直持續(xù)至今。
在研究人員看來，這些圖像主要來自數(shù)值模擬以及人們對碎片化觀測證據(jù)的推測，所幸天文觀測大數(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代已經(jīng)到來。
LAMOST發(fā)布千萬量級的光譜數(shù)據(jù)成為數(shù)字化銀河的基石，而歐空局發(fā)射的Gaia衛(wèi)星則提供了14億顆恒星的位置和移動地圖，二者結(jié)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。
25萬顆恒星的精確年齡
最新發(fā)表在《自然》上的成果中，研究人員利用LAMOST 700萬顆恒星的大氣參數(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)動學(xué)參數(shù)。
然后，再從這700萬恒星中篩選出25萬顆亞巨星，測定出它們的精確年齡。“亞巨星是一種處于恒星主序演化階段向紅巨星演化階段過渡的恒星階段，它們的年齡相對容易被精確測定。”向茂盛向《中國科學(xué)報》介紹，“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。”
該成果構(gòu)建了25萬顆亞巨星的高質(zhì)量數(shù)據(jù)樣本，并獲取了它們的精確年齡。樣本平均年齡精度為7%，金屬元素豐度覆蓋范圍從-2.5（從太陽金屬含量的300分之一）到0.5（太陽金屬含量的3倍），空間覆蓋范圍達(dá)3萬光年。
據(jù)了解，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，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。
銀河系演化時間軸
此后，研究人員把這25萬恒星劃分成兩組：一組表征為形成于動力學(xué)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(xué)劇烈湍動過程的銀暈和厚盤恒星。
研究發(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。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。
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去8億年時間，而最古老的厚盤星甚至要比銀河系內(nèi)暈恒星年老約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）碰撞早期銀河系并被吸積并合時形成。
向茂盛解釋：“也就是說，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20億年形成，這刷新了對銀河系早期形成歷史的傳統(tǒng)認(rèn)知。”
經(jīng)進(jìn)一步研究，科研人員發(fā)現(xiàn)，盡管厚盤形成持續(xù)了從130億年前到80億年前的50億年時間，但大多數(shù)厚盤恒星卻形成于約110億年前的一次集中爆發(fā)，與矮星系GSE與早期銀河系并合發(fā)生的時間高度吻合。
對此，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受到了GSE撞擊事件的顯著激發(fā)。
此后，形成厚盤恒星的氣體大約在80億年前耗盡，厚盤形成停止。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(xù)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(xiàn)。
“把銀河系形成過程中發(fā)生的一系列重要事件放在精確的時間軸上，形成詳細(xì)的銀河系史冊，這對于我們認(rèn)識和理解我們所在的這個星系的集成和演化歷史是非常重要的，這也是目前這個工作的關(guān)鍵意義所在。”向茂盛強(qiáng)調(diào)。
《自然》審稿人評價，該成果通過一種創(chuàng)新的方法來精確估計(jì)恒星的年齡，成功地幫助我們更好地了解銀河系是如何形成的。隨著銀河系中更大樣本恒星數(shù)據(jù)的積累，銀河系形成和演化的圖像將變得更加清晰。
相關(guān)報道：銀河系有多大年紀(jì)了？天文學(xué)家最新研究認(rèn)為約130億年前形成
（神秘的地球uux.cn報道）據(jù)中新網(wǎng)：銀河系有多大年紀(jì)了？它是如何形成和演化的？國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》北京時間3月24日以封面文章形式發(fā)表天文學(xué)家最新研究成果論文指出，銀河系可能經(jīng)過了不同的演化階段，其起點(diǎn)是約130億年前盤族恒星的形成。
這一重大天文研究結(jié)果來自對近25萬顆恒星年齡的精確計(jì)算，由德國馬普天文研究所向茂盛博士和漢斯·沃爾特里克斯(Hans-Walter Rix)教授合作完成。他們基于中國科學(xué)院國家天文臺運(yùn)行的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡(大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡，LAMOST)和歐洲空間局天體測量衛(wèi)星蓋亞望遠(yuǎn)鏡(Gaia)的巡天觀測數(shù)據(jù)，獲取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(rèn)知。
為研究銀河系的形成歷史，這兩位天文學(xué)家從望遠(yuǎn)鏡巡天數(shù)據(jù)中鑒定出約25萬顆處于亞巨星階段的恒星，其空間體積占到銀河系的一大部分。他們估算出這些恒星的個體年齡為15億年到138億年不等，隨后研究確認(rèn)并表征了盤族恒星和暈族恒星中不同結(jié)構(gòu)元素的起源，其結(jié)果顯示，銀河系厚盤的形成在約130億年前就已開始，只比宇宙大爆炸晚了8億年。
最新研究表明，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，早期階段形成銀河系的厚盤和銀暈，晚期階段形成銀河系薄盤。
《自然》同期發(fā)表美國天文學(xué)家的“新聞與觀點(diǎn)”文章認(rèn)為，該研究中恒星的年齡、構(gòu)成和運(yùn)動反映了銀河系形成時的動態(tài)過程，更多的數(shù)據(jù)將帶來更大的銀河系恒星樣本量，讓人們對銀河系形成的理解越來越清晰。
中科院國家天文臺表示，本次銀河系起源演化研究中，郭守敬望遠(yuǎn)鏡發(fā)布千萬量級的恒星光譜數(shù)據(jù)，成為數(shù)字化銀河的基石，蓋亞衛(wèi)星則提供14億顆恒星的位置和移動地圖，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。
同時，得益于郭守敬望遠(yuǎn)鏡銀河系巡天及國際上其他巡天項(xiàng)目的開展，獲取大樣本恒星的年齡已在過去幾年內(nèi)逐漸成為現(xiàn)實(shí)。這項(xiàng)最新研究還是首次在銀河系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標(biāo)志性的一步。