星系曾有“厚阶段” 韦伯太空望远镜揭示它们如何变薄

詹姆斯韦伯太空望远镜为天文学家提供了一个了解银河系等星系历史的新窗口。通过分析111个边缘星系，研究人员发现星系的形成主要分为两个阶段：早期混乱的厚盘，随后在其内部形成更平静的薄盘。即使在100亿光年外的星系中也能观察到这种模式。

这些发现表明，我们银河系的分层结构并非独一无二，而是更广泛星系趋势的一部分，这为理解星系如何演化、恒星形成，甚至可能如何塑造氧和碳等维持生命的元素提供了新的见解。

许多星系，包括我们自己的银河系，都拥有一个非凡的结构：一个由恒星组成的扁平旋转的圆盘。这些恒星圆盘通常由两部分组成。薄圆盘中富含氧和碳等重元素的年轻恒星，而厚圆盘中则包含更古老、更原始的恒星。这些独特的组成部分就像宇宙化石一样，保存着关于星系如何生长、形成恒星以及创造生命必需元素的线索。

直到最近，科学家们才能够在银河系和一些邻近星系中看到这些双层圆盘。之前的望远镜功率不足以从侧面观测到遥远星系的薄边缘。

随着 2021 年詹姆斯·韦伯太空望远镜 ( JWST ) 的发射，这一切都发生了改变，它是有史以来最先进、最灵敏的太空望远镜。

图中展示了本研究揭示的星系盘形成的顺序：厚盘星系在早期阶段占主导地位（下图），而同时呈现薄盘和厚盘的星系则在宇宙的后期阶段更为常见（上图）。图片来源：NASA、ESA、CSA、T. Tsukui

目前，一个国际天文学家团队分析了詹姆斯·韦伯太空望远镜捕捉到的111个侧向星系。这些侧视图使研究人员能够清晰地看到遥远星系的垂直结构，并识别出薄盘和厚盘。

研究小组组长津久井贵文（Takafumi Tsukui，曾就职于澳大利亚国立大学，现就职于东北大学）表示，观测遥远的星系就像使用时光机，让我们能够看到星系在宇宙历史中是如何形成其盘状结构的。

“得益于詹姆斯·韦伯太空望远镜的敏锐视野，我们能够识别出我们当地宇宙之外星系中的薄盘和厚盘，其中一些可以追溯到 100 亿年前。”

研究揭示了一个一致的趋势：在早期宇宙中，更多星系似乎拥有单一厚盘；而在后期，更多星系呈现出双层结构，并额外包含一个薄盘。这表明星系首先形成一个厚盘，然后在其中形成一个薄盘。在质量更大的星系中，这个薄盘似乎形成得更早。

磁盘形成的时间线

该研究估计，银河系大小星系的薄盘形成时间约为80亿年前。这一数字与银河系本身的形成时间相吻合，因为恒星的年龄是可以测量的。

为了理解从厚盘到薄盘的顺序形成过程及其相应的形成时间线，研究小组不仅研究了恒星结构，还研究了气体运动、从阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列（ALMA）获得的恒星直接成分以及文献中的地面勘测数据。这些观测结果支持了一种连贯的形成情景：

在早期宇宙中，星系盘富含气体，且高度湍流

湍流盘中的强烈恒星形成产生了厚恒星盘

随着恒星盘的形成，它们有助于稳定气体盘并减少湍流

随着恒星盘的平静，在预先形成的厚恒星盘内部形成了一个薄恒星盘

而较大的星系可以有效地将气体转化为恒星，更早地形成薄盘

津久井强调，詹姆斯·韦伯太空望远镜提供的图像有助于解答天文学界最大的疑问之一：我们星系的形成是典型的还是独特的？“詹姆斯·韦伯太空望远镜的图像为我们提供了一个观察类似银河系早期状态的星系的窗口，为我们提供了关于遥远星系的宝贵见解。”

研究小组希望他们的研究能够帮助连接邻近星系和遥远星系的研究，并加深我们对星系盘形成的理解。这项研究于2025年6月26日发表在《皇家天文学会月刊》上。

编译自/scitechdaily