像银河系这样同时具有盘和晕的漩涡星系是先形成盘还是晕？这是理解星系如何起源和早期宇宙环境的关键问题。
北京时间10月10日，国际科学期刊《自然·天文》在线发表了由中国科学院国家天文台和德国马普天文研究所等国内外单位联合完成的一项成果。研究团队基于国家重大科技基础设施郭守敬望远镜（LAMOST）以及欧空局盖亚（Gaia）卫星数据，揭示了古银盘的空间结构演化，发现现存最古老的银盘结构成分起源于距今约135亿年前。该发现对深入理解星系和宇宙的早期起源和演化具有重要意义。
- 先有银盘还是先有银晕？
暗能量和冷暗物质模型（ΛCDM）是近年来流行的星系和宇宙结构形成标准理论模型。该模型预言，宇宙早期环境动荡不安，星系之间存在频繁且剧烈的吞噬和合并现象，这可能使得早期星系盘难以存在和维持。
过去的观测发现，绝大部分河外盘星系的红移小于3，对应年龄小于110亿年，而对于银河系，长期以来人们也普遍认为银晕是银河系最古老的结构，而银盘则晚于银晕，于大约100亿年前形成。
图1 银河系现存最古老的盘结构“盘古”想象图。杨航 供图
然而，近年来詹姆斯·韦布太空望远镜（JWST）令人惊奇地发现，星系盘可以出现在更高的红移：即便是红移大于5，对应年龄大于125亿年的星系，盘结构仍相当普遍地存在。
同样，对银河系恒星化学运动学数据的研究也表明，一些年老贫金属恒星具有与相对富金属的银盘恒星相似的轨道运动学性质，暗示银盘出现的时间可能更早。
关于早期银盘存在的信息仅限于通过恒星化学运动学性质的猜测。由于缺乏古老恒星的统计大样本及精确年代学信息等原因，人们一直无法得知早期银河系的真实结构及其演化历史。
- 发现现存最古老的星系盘
在本项研究中，科研团队基于利用郭守敬望远镜（LAMOST）和盖亚（Gaia）巡天数据获取的迄今最精确的恒星年龄大样本，结合统计建模详细重构出了银盘恒星的空间分布结构随年龄的演化。
研究首次发现年龄为130亿年-135亿年的极古老恒星，其空间分布仍呈现出清晰的盘结构。这说明古银盘在宇宙刚诞生不久的数亿年内就已经开始形成，并且在后续130多亿年的星系演变过程中得以幸存下来。这比此前詹姆斯·韦布太空望远镜（JWST）观测到的盘结构形成更早，是目前已知最古老的星系盘。
图2 银河系老龄恒星的空间分布结构参数。横坐标为标长，纵坐标为标高。呈现出盘结构（标高小于标长）的恒星年龄高达130多亿年。
这一极早期形成的古银盘成分用中国神话里开天辟地的人物“盘古”命名。研究进一步得出“盘古”的恒星质量约为2×109（20亿）倍太阳质量，远大于早期银晕的恒星质量，表明“盘古”可能为极早期银河系的主导结构。
- 揭秘早期银盘的结构演化
该研究还揭示了古银盘的恒星形成和结构演化历史。发现自“盘古”形成以后的50亿年间，古银盘恒星质量一直增长，直至80亿年前停止形成，期间总共形成了200亿倍太阳质量的恒星，峰值恒星形成率约为11倍太阳质量/每年。
古银盘结构演化主要发生在垂直银盘面的方向，并解释这一演化效应可能由形成恒星的气体垂向冷却（upside-down）和恒星垂向加热（heating up）机制共同决定。通过与星系流体数值模拟数据进行对比，研究进一步发现，实际的银盘比数值模拟中的银盘要更薄，表明银河系实际经历的早期演化环境比理论预期要更加宁静。
揭秘银河系早期起源不仅加深了我们对自身家园星系历史的认知，也为检验星系形成理论和了解早期宇宙环境提供了独特视角。随着天文学进入巡天大数据新时代，银河背后的诸多奥秘有望被逐一解开。
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新闻来源：中国科学院国家天文台