事实上，银河系比天文学家认为的要更古老，或者说是它的一部分。

一项新发表的研究表明，圆盘的一部分比我们想象的要早 20 亿年。 该区域称为“厚盘”，仅在大爆炸后 8 亿年才开始形成。

上图：从侧面看银河。

两位天文学家比以往更详细地拼凑出了银河系的历史。他们的结果是基于欧洲航天局的盖亚任务和中国的大天空区域多目标光纤光谱望远镜（LAMOST）的详细数据。这一发现的关键在于亚巨星。

这篇研究论文的题目是《银河系早期形成历史的时间分辨图》，并在线发表在《自然》杂志上。作者是来自马克斯·普朗克天文研究所（MPIA）的项茂生（音译）和汉斯-沃尔特·里克斯。

确定一颗恒星的年龄是最困难的事情之一。一颗恒星的成分或金属丰度是确定其年龄的关键。天文学家测量金属丰度越精确，他们就能越精确地确定它的年龄。

早期的宇宙几乎只含有氢和氦。比氢和氦重的元素会在恒星中产生，并在这些恒星死亡和爆炸时扩散到宇宙中。天文学家把所有比这两种原始元素重的元素都称为“金属”。

金属丰度较低的恒星年龄更大，因为它们形成时只有氢和氦。因此，当天文学家发现一组主要含有氢和氦的恒星时，他们就知道这些恒星的年龄更大。当他们发现金属比例较高的恒星群时，他们就知道这些恒星一定比较年轻。

精确的年龄测量在天文学的某些方面就是圣杯，在这个例子中也是如此。此项研究的两位科学家不仅仅用金属丰度来确定恒星的年龄，他们还专注于一种特定类型的恒星：亚巨星。

上图：银河系侧视图。

恒星生命中的亚巨星阶段相对较短，因此天文学家可以最准确地确定恒星处于亚巨星阶段的年龄。亚巨星正在转变为红巨星，它们的核心不再产生能量。相反，核聚变已经进入了核心周围的壳层。

在这项研究中，这两位科学家利用 LAMOST 数据确定了银河系不同区域约25万颗恒星的金属丰度。他们还使用了盖亚的数据，这些数据提供了大约15亿颗恒星的精确位置和亮度数据。

欧空局的盖亚任务提高了这项研究和许多其他研究的准确性。在盖亚之前，天文学家通常要处理20%到40%的恒星年龄不确定性。这意味着年龄可能相差10亿年，这是很大的差距。

但盖亚改变了这一切。该任务目前发布的数据是 Gaia EDR 3（早期数据发布3），这是一个巨大的改进。EDR3给出了超过33万颗恒星的精确3D位置。它还能对恒星在太空中的运动进行高精度的测量。

研究人员使用了来自盖亚和 LAMOST 的所有这些数据，并将其与已知的恒星参数模型进行比较，以更准确地确定亚巨星的年龄。科学家项茂生表示：“根据盖亚的亮度数据，我们能够确定一颗亚巨星的年龄，精确到百分之几。”

这些亚巨星分布在银河系的不同部分，这使得研究人员能够拼凑出其他成分的年龄，并构建出银河系历史的时间表。

上图：银河系两视图。

这项研究显示了银河系历史上的两个截然不同的阶段。第一阶段始于8亿年前，当时这个厚厚的圆盘开始形成恒星。银晕的内部区域也开始发展起来。

20 亿年后，一次合并推动厚盘中的恒星形成完成。一个名为“盖亚-香肠-土卫二（Gaia-Sausage-Enceladus）”的矮星系与银河系合并。

Gaia-Sausage-Enceladus（GSE）矮星系的形状并不像香肠。它的名字来自于在速度图上画出它的恒星，在那里它们的轨道是高度拉长的。当GSE与银河系合并时，它帮助创造了厚盘，而伴随它而来的气体为星系那部分的恒星形成提供了燃料。

这一合并也让银河系的光环布满了星星。天文学家认为球状星团“NGC2808”可能是盖亚香肠的残余核心。NGC 2808是银河系中质量最大的球状星团之一。

GSE 在厚盘中引发的恒星形成持续了大约40亿年。宇宙大爆炸后大约60亿年，这些气体都用完了。在此期间，厚盘的金属丰度增加了十倍以上。

该研究还发现，在整个圆盘中，金属丰度和恒星的年龄之间存在着非常紧密的关联。这意味着，伴随 GSE 而来的气体一定是紊流的，导致GSE在圆盘中混合得更彻底。

实际上，天文学家直到2018年才发现 GSE 合并。这样的发现塑造了我们对银河系历史的理解，银河系的发展时间表也变得越来越清晰。这项新研究为我们提供了更详细的解释。

科学家项茂生表示：“自2018年发现与盖亚-香肠-土卫二古老合并以来，天文学家一直怀疑银河系在日晕形成之前就已经存在了，但我们对银河系的样子没有清晰的图像。我们的研究结果提供了有关这部分银河系的详细信息，比如它的生日、恒星形成速率和金属富集历史。将这些发现与盖亚的数据结合起来，将彻底改变我们对银河系形成时间和方式的认识。”

近年来，天文学家发现了更多关于银河系的细节。但绘制它的结构很有挑战性，因为我们处在它的中间。欧洲航天局的盖亚任务是我们迄今为止银河系中最好的恒星目录。而且每次数据发布都会变得越来越好。

欧洲航天局盖亚项目科学家蒂莫·普鲁斯蒂说：“随着每一次新的分析和数据的发布，盖亚让我们能够以前所未有的细节拼凑出我们星系的历史。随着6月盖亚DR3的发布，天文学家将能够用更多的细节来丰富这个故事，”

盖亚任务至关重要，但对银河系等其他星系的观测，也让天文学家了解到银河系的结构和历史。但是，观测宇宙大爆炸后20亿年的星系是很困难的。这需要强大的红外望远镜。幸运的是，一架期待已久的红外太空望远镜即将开始观测。

詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）具有追溯宇宙早期的能力。它将能够看到宇宙中最早的类银河系星系。

天文学家想要了解更多关于 GSE 合并的信息，以及它是如何在大爆炸20亿年之后导致恒星形成和塑造我们星系的厚盘的。JWST对类似银河系的古老高红移星系的观测，可以帮助回答一些问题，并填补更详细的银河系历史。

6月，欧洲航天局将发布盖亚的第三次完整数据发布，称为DR3。DR3目录将包含超过700万颗恒星的年龄、金属丰度和光谱。DR3和JWST将是一个强有力的组合。

上图：欧空局的盖亚任务（Gaia）。

这些数据会告诉我们什么？随着宇宙的演化，星系要么吞噬，要么被吞噬。引力将星系吸引到一起，但由于暗能量的存在，宇宙也在膨胀，而暗能量又将星系推开。所以，星系倾向于聚集成一组。银河系是本星系群的一部分。

由于星系的联合引力，星系群内部保持一致，但由于膨胀，星系群彼此远离。最终，一个星系群中最大的星系会吞噬较小的星系。

银河系已经吞噬了GSE和球状星团。它正在吞噬大麦哲伦星云，大麦哲伦星云正在吞噬它更小的邻居：小麦哲伦星云。

最终，银河系将吞噬这两个星系，然后在大约45亿年后，它将与更大的仙女座星系合并，仙女座星系是本星系群的另一个成员。

这是一种奇怪的情况，因为银河系的未来可能比它的过去更容易被识别。这就是不断膨胀的宇宙所面临的难题：我们寻找的证据一直在离我们远去，消失在时间和距离中。

但是，JWST 和 Gaia DR3 有潜力扭转宇宙膨胀的局面。它们结合在一起可以让我们对银河系的历史和星系合并的细节有更多的了解。希望我们能得到一个更详尽的历史时间表。

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