130多億年來，銀河系經歷了什么？

銀河獨自轉動著璀璨的年輪。青銅時代的牧羊人曾對著它占卜吉兇，大航海時代的冒險家借助它辨認方向。而今，它依然垂落如瀑，將李白的霜、梵高的鳶尾、還有你未說出口的悵惘，統統卷入那永恒旋轉的星渦之中。

銀河系示意圖。

如果你有機會目睹銀河的真容，那片橫亙于暗夜的璀璨星河，定會以其恢弘氣勢將你俘獲。墨色天幕被星子織成銀帶，億萬光點在虛空中流轉，是宇宙不慎打翻的碎鉆，傾瀉出神秘而磅礴的美。好奇如螢火在心間躍動，敬畏似潮汐漫過堤岸。它在光年外靜默，卻又鋪滿整個視野，指尖似能觸到那些微涼的光。這種咫尺天涯的張力，牽起人與宇宙的隱秘紐帶。

歲月在地面刻下皺紋，銀河卻如亙古的守望者。先人的想象曾在此棲居，鵲橋的傳說、星軌的私語，都被它溫柔收納。孤獨懸于夜空，卻因每束仰望的目光，永遠鮮活。

仰望銀河。 作者 / 王超

/什么是銀河？

銀河實際上是我們所在的銀河系的盤狀結構，天文學家稱作銀盤。銀河系是由大量恒星、氣體等可見和不可見物質在引力束縛下組成的一個星系。從物質分布角度看，銀河系存在不同的結構，最顯著的結構是銀盤、核球以及銀暈。

銀河系結構示意圖。

銀盤，顧名思義，是一個圓盤狀但徑向延展的結構，它主要由大量的恒星和氣體組成。銀河系中的恒星絕大部分在銀盤上，銀盤恒星總質量約為400億倍太陽質量，銀盤半徑約為65000光年。雖然銀盤恒星數目龐大，但是它們的運動總體上井然有序，幾乎都在圍繞銀河系中心做快速公轉運動。太陽是位于銀盤上的一顆普通G型矮星，距離銀河系中心約27000光年，當前的公轉速度約240千米每秒。太陽圍繞銀河系中心轉一圈需要2.26億年。太陽的年齡為46億年，由此不難得知太陽自誕生以來圍繞銀河系公轉了大約20圈。

當然，銀盤恒星的公轉并非簡單又理想的圓軌道運動，且有一定的幾率發生軌道遷移，這使得恒星在運動過程中可能會經歷不同的環境。太陽就被認為可能誕生于距離銀河系中心22000光年以內的更內部區域，經過徑向軌道遷移才到達今天的位置。同時，有研究指出，太陽正在穿越一片分布不均勻的氣體云區，氣體云與太陽系的相互作用會改變后者的環境，這可能影響了地球歷史上的溫度和氣候。盡管如此，銀盤恒星的軌道和環境變化是相對比較溫和的。整體而言，銀盤上的海量恒星及其相對有序、穩定的存在，也許對于生命的存在和演化具有重要意義，我們存在于銀盤上這個事實也許并不簡單是一個偶然。

穹頂之下 作者 / 楊友利

對海量恒星分布的解析揭示銀盤實際上具有雙盤特性，它包含了薄盤和厚盤兩個結構子成分。顧名思義，薄盤相對于厚盤而言幾何結構上更薄、更延展。利用e指數函數描述恒星數密度分布，薄盤的標高（密度下降到1/e的位置）約為300秒差距（1秒差距等于3.26光年），標長約為3000秒差距；而厚盤的標高約為900秒差距，標長約為2000秒差距。此外，薄盤還包含了復雜子結構，包括邊緣增厚、翹曲、旋臂等。

銀盤的內部與核球相連。核球（bulge）是銀河系中央區域一個恒星密度更高的結構。近年來的研究發現，銀河系核球的主要成分實際上是一個棒狀恒星結構（bar），它圍繞銀河系中心以剛體形式高速旋轉。銀盤的外部是廣袤的銀暈。銀暈（halo）的半徑大于65萬光年，是銀盤的10倍以上，但銀暈中恒星數量稀少，恒星總質量不足銀盤的1/10，且恒星的運動軌跡顯得雜亂無序。然而，銀暈是銀河系中暗物質的主要存在場所，為銀河系提供了大部分的引力勢能。

在宇宙中，銀河系就像一個孤立的島嶼，而整個宇宙存在著數千億個宇宙島（星系）。雖然像銀河系這樣的星系不在少數，但不是所有的星系都存在“盤”結構。相反，星系的形態呈現出多樣性，盤星系只是其中的一類，我們常見的橢圓星系、矮橢圓星系等則不具有盤結構。

銀河系的孿生星系。圖為M101（credit: NASA/HST）；被認為與正面看到的銀河系相似.

/銀盤是怎么形成的？

星系盤的形成需要帶有角動量的氣體，氣體再聚集形成恒星。現有星系形成模型認為星系在暗物質暈里面形成。星系形成早期，氣體受到引力作用而掉入暗物質暈，然后通過輻射冷卻朝星系中心塌縮。暗物質暈成長過程中可能通過潮汐力矩獲得初始角動量，由于氣體塌縮過程角動量守恒，塌縮到星系中心的氣體旋轉速度增加，形成盤狀結構。隨著恒星在氣體盤上形成，出現恒星盤。恒星輻射、星風、超新星爆發等恒星反饋以及星系并合等過程會對盤的形態進行調制。

自20世紀80年代以來，銀河系雙盤結構的起源就一直是一個研究焦點。觀測發現薄盤和厚盤在恒星的化學組成和軌道運動參數等多方面性質都有不同。相較而言，厚盤恒星金屬含量更低、軌道偏心率更大、年齡更老，說明厚盤形成更早。一般認為厚盤形成于100億年前，而薄盤則是在過去幾十億年間形成并逐漸成長起來的，但雙盤形成的物理機制以及它們之間的演化關聯仍不清楚。關于厚盤的形成機制也存在不同的觀點，一種觀點認為厚盤是由于早期的薄盤受到星系并合擾動加熱而產生的，另一種觀點認為厚盤生來就“厚”（熱），而后天加熱不是主因。

過去十年，數個大規模巡天項目在銀河系觀測方面取得了突破性進展。歐洲空間局（ESA）發射的蓋亞（Gaia）天體測量衛星獲取并公開釋放了18億顆恒星的位置、視差和自行。我國郭守敬望遠鏡（LAMOST）獲取并公開釋放了2000多萬條恒星光譜，天文學家由此測定出數百萬恒星的物理參數，包括視向速度、有效溫度、表面重力加速度，以及包括C、N、O、Mg、Al、Fe、Ba等在內的近20種化學元素的豐度等。同時，這些觀測促使精確測定恒星年齡成為了現實，為理解銀河系演化提供了前所未有的海量恒星年代學信息。

銀河畫卷 作者 / 王至璞

郭守敬望遠鏡和蓋亞衛星測量給出的精確恒星年齡和化學運動學信息表明，薄盤和厚盤具有不同的物理起源，它們各自獨立形成和演化而非繼承關系。它們起源于時間上明確不同的階段，對應著不同的化學增豐歷史和運動學歷史。

其中，厚盤形成于銀河系早期階段，因此也被叫作“古銀盤”。古銀盤的尺寸并不大，絕大部分恒星位于距離銀河系中心8000秒差距范圍以內。古銀盤恒星總質量約為200億倍太陽質量，主要形成于約110億年前的一次恒星形成集中爆發事件，這導致很短的時間內形成了大量恒星，峰值恒星形成率達到了10倍太陽質量每年以上。造成這次恒星形成爆發事件的原因尚不清楚，有研究推測當時的銀河系與一個大型矮星系發生了相互作用，促發了古銀盤的恒星形成。80億年前，古銀盤的形成過程迅速停止，此時古銀盤恒星的金屬含量已達到了太陽的數倍以上。造成古銀盤形成過程熄滅的原因目前也無定論，一種觀點認為主要是因為此前的劇烈恒星形成將氣體原料消耗殆盡，而另一種觀點認為這歸因于80億年前發生的一次劇烈星系并合事件。

薄盤的形成始于迄今約80億-90億年前。此時，大量的金屬含量比太陽低數倍的氣體開始涌入銀河系并形成恒星。數十億年來，薄盤從內往外逐步成長，這個過程一直持續到今天，當前的恒星形成率約為2倍太陽質量每年，累計形成了超過200億太陽質量的恒星，總質量與古銀盤相當，薄盤尺寸也擴展到了距離銀河系中心約20,000秒差距（6.5萬光年）。過去80億年間，銀河系經歷的最主要的外部事件是人馬座矮星系與銀河系的并合。人馬座矮星系曾多次穿越銀盤，有研究認為該事件導致了薄盤恒星形成率的間歇性增加。盡管如此，由于人馬座矮星系的質量相對于銀河系的質量差距太大，該并合事件對薄盤造成的影響是有限的，銀盤因此得以保持一個相對安穩的環境，并未受到毀滅性破壞。

銀河系的孿生星系。圖為NGC 891（credit: NASA/HST）；被認為與側面看到的銀河系相似。

相較而言，星系并合事件對早期銀盤的影響更加顯著。觀測結合數值模擬的研究表明，厚盤確實有可能生來就“厚”，但同時它也被早期星系并合過程顯著加熱了。以上兩種動力學機制的貢獻都不可忽略，共同造就了今天的厚盤。薄盤的動力學演化主要受到旋臂、巨分子云等結構對恒星進行散射等過程的加熱效應影響，這導致年齡越大的薄盤恒星速度彌散越大、空間分布標高越大。

/先有暈還是先有盤？

厚盤恒星主要形成于110億年前，那么在這之前的銀河系長什么樣？理解早期銀河系有兩個困難。一是銀河系經歷了漫長的演化，我們根據對恒星的觀測僅能推斷出早期銀河系的部分信息，很難完整反演其全貌；二是古老恒星的數量稀少，獲取大樣本古老恒星且精確測定其年齡、化學元素組成等極具挑戰。

20世紀60年代Eggen、 Lynden-Bell和Sandage提出了經典的氣體塌縮星系形成模型，認為星系先形成暈后形成盤。70年代后期，暗物質主導下的等級成團理論被提出，這在解釋宇宙大尺度結構性質上取得巨大成功，取代了經典模型并逐漸發展成了當前宇宙結構形成標準理論。盡管如此，在半個多世紀里天文學家始終普遍認為銀暈是銀河系最古老的結構。這主要是因為銀暈恒星具有更低的金屬含量。恒星核合成不斷將氫元素轉化為金屬元素，宇宙物質總是從貧金屬到富金屬演變，更低金屬含量的恒星通常被認為形成更早。同時，銀暈恒星速度彌散大，易形成于早期劇烈動蕩的環境，而盤則被認為是星系氣體逐漸增豐并冷卻之后形成的結構。

破曉前，宇宙的私語。作者 / 初一

20世紀90年代以來，天文學家通過大型巡天數據在銀暈中發現了多個矮星系并合事件的遺跡。有的矮星系遺跡在恒星空間分布上表現出星流結構，例如人馬座星流，而有的矮星系遺跡僅在運動學和化學性質上表現出成協。這些遺跡表明星系并合是銀暈形成的重要方式。但受限于觀測，很長一段時間以來學界認為矮星系遺跡在銀河系外暈中占主導，而內暈（約2-3萬秒差距以內）則仍是以銀河系本地形成的星族為主。直到2018年，Gaia衛星聯合地面望遠鏡光譜巡天的化學運動學數據以出人意料但令人信服的證據表明，絕大部分內暈恒星實際上形成于一個矮星系，它們在一次星系并合事件中被早期銀河系吞并。這個矮星系被兩個獨立的研究團隊分別命名為Gaia-Enceladus和Gaia-Sausage，后被簡稱GSE。

GSE與銀河系并合發生的時間大約在80-110億年前這個范圍，具體時間仍有爭論。GSE并合時間的不確定也使得天文學家對該事件對銀盤形成造成的影響持有不同的觀點。但GSE的發現使得天文學家迅速認識到一個事實：銀暈其實幾乎完全是星系并合事件的產物。銀暈里面絕大部分恒星都誕生于矮星系，在多個星系并合事件中被銀河系吞并。這也表明了銀暈并不一定是最古老的結構，并留下了一個巨大的謎團：GSE大碰撞之前的早期銀河系到底是什么樣的？

郭守敬望遠鏡和Gaia衛星聯合提供了最精確的恒星年齡大樣本。通過對恒星年齡和化學運動學的分析，天文學家吃驚地發現銀河系盤族恒星出現的時間可追溯至130多億年前，遠早于過去的認知，甚至比銀暈形成的時間早20億年。通過對古老恒星空間分布的研究，天文學家進一步還原出了早期銀盤結構隨時間（年齡）的演化，揭示早期盤結構不僅形成時間可追溯至135億年前，而且竟然在經歷了130多億年的演化后仍得以保存至今而未被摧毀。

LAMOST上的雙子座流星雨。攝影 / 白一帆

在厚盤以及銀暈形成以前，就已經存在的極早期銀盤結構被命名為“盤古”。“盤古”是今天仍幸存的最古老星系盤結構，其在宇宙前10億年內形成的恒星質量就達到了20億倍太陽質量，金屬豐度達到了太陽的1/10以上，表明了星系盤結構可以在宇宙誕生后形成和增豐。“盤古”的幸存也表明了銀河系過去130多億年內始終維持了一個相對安寧的環境。雖然早期銀河系與多個矮星系發生了碰撞并合，但這些事件相對溫和，沒有劇烈到摧毀早期銀盤的程度。

與此同時，一些天文學家堅持認為早期銀河系仍有可能形成了一個本土的暈結構。該本土暈結構尺度很小，距離銀河系中心僅千秒差距范圍，恒星的金屬含量普遍很低，因此被命名為銀河系“貧金屬心臟”，其質量約為5億倍太陽質量。該結構的本質及其與“盤古”的關系有待深入理解，但似乎可以確定的是，盤是宇宙第一個十億年內銀河系的一個主要結構，銀河系很可能自古以來就是一個盤星系。

/銀河系形成歷史特殊嗎？

對TNG50星系流體數值模擬分析發現，與銀河系質量相似的盤星系中，僅有16%的模擬星系具有與銀河系相近的盤結構。大多數模擬星系的盤比銀盤更厚，這是因為它們經歷了更強烈的并合過程，這些過程對盤的形態產生了更顯著的影響。這說明銀河系可能比一般星系要更加寧靜，銀河系早期環境可能并沒有大多數星系早期那般動蕩。

另一方面，韋布空間望遠鏡（JWST）發現，宇宙早期星系的恒星形成速率遠超理論預期，并揭示盤星系普遍存在于紅移大于5（宇宙學年齡125億年前）的早期宇宙。近來，JWST和阿塔卡馬大型毫米[/亞毫米]波陣（ALMA）發現了數例紅移7以上（對于宇宙學年齡為130億年前）的高紅移盤星系。這些來自高紅移星系的觀測結果與極早期銀盤的發現是自洽的，表明我們對宇宙早期星系形成的理解還有待深入。

韋布空間望遠鏡（JWST）發現紅移5.2處存在與銀河系形態類似的星系。 來源／NASA

在星辰大海的征程上，我們的探索永不止步。或許在某一天，我們將解碼暗物質的密語，繪制出銀河系最完整的時空圖譜。每一次觀測都是與遠古星光的對話，每一次發現都在重寫人類對宇宙的認知。這場穿越時空的探索，終將讓我們讀懂銀河系這部用星光寫就的史詩，揭示恒星生死與銀盤演化間永恒的聯結，走向與銀河真相相遇的璀璨黎明。

—— 本文選自《中國國家天文》2025年第8期

作者簡介 /

向茂盛，中國科學院國家天文臺研究員、博士生導師，主要從事銀河系結構與演化、恒星物理及天文大數據研究。依托郭守敬望遠鏡（LAMOST）取得多項原創研究成果，尤其是推動了大樣本恒星年齡測量及銀河系演化研究；在主流天文期刊發表論文百余篇，研究成果入選《自然》雜 志封面文章、“中國十大天文科技進展”及央視“年度國際十大科技新聞”。

本文轉載自《中國國家天文》微信公眾號

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