詹姆斯·韦伯太空望远镜向我们展示星系如何演化

研究表明，现代盘状星系总体上由两个部分组成：一个薄盘，包含金属丰度较高的年轻恒星；以及一个厚盘，包含金属丰度较低的年老恒星。薄盘位于厚盘内部。天文学家正在试图了解这些部分是如何形成的，以及盘状星系是如何演化的。为了取得进展，天文学家需要从侧面而非正面观察星系。

天文学家认为，厚盘在星系历史的早期经历了一个快速形成阶段，而薄盘则在更晚的阶段形成，形成时间更长。这使得薄盘有更多机会从星际介质（ISM）中积累金属。研究人员提出了三种主要机制来解释这两种盘之间的差异。

第一种是“天生热”的设想。这种设想认为，厚盘首先由于强烈的恒星形成而形成。在此阶段，盘面剧烈湍流且高温。最初，这抑制了薄盘的形成。之后，当一切平静下来后，薄盘与其更年轻、金属丰度更高的恒星一起形成。

第二种是“渐进增厚”理论。该理论认为恒星最初在星盘中平面附近形成。然后，由于密度波动或来自巨分子云、星系相互作用或合并、螺旋臂，甚至可能是巨型团块的扰动，星盘逐渐升温增厚。

第三种情景是非原位情景。该情景认为合并或吸积是厚盘形成的必要条件。然而，目前的观测似乎并不支持这种说法。

一组研究人员在他们的新论文中解释道：“所有机制都可以解释银河系两个

圆盘观察到的定性特征，而且它们不一定是互相排斥的。”

研究人员检查了111张詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）拍摄的侧向盘状星系图像。

这些星系的排列使得JWST能够观测到它们的垂直盘状结构。“侧向星系的独特之处在于可以直接研究其盘状垂直结构以及薄盘和厚盘成分的分解，”作者在研究中写道。

“在本文中，我们利用不断增加的JWST公开图像，通过仔细的目视检查构建了一个侧向星系样本，并首次研究了宇宙学红移高达红移⁠（大约10亿年前）的薄盘和厚盘结构，”他们写道。

这项研究的这张图显示了研究人员样本中四分之一的侧向星系。它们按红移递增的顺序排列。

并非所有这111个星系都由两个圆盘组成。

“在我们的样本中，我们发现28个星系由单个圆盘成分构成，39个星系由单个圆盘+核球构成，19个星系由两个圆盘成分构成，25个星系由两个圆盘成分+核球构成。”研究人员解释道。

作者写道：“尽管宇宙时间上的基线很宽，但我们在样本中发现了一些测量的圆盘参数之间明确的相关性。”

观测表明，盘状星系遵循着一个明显的趋势。在早期宇宙中，更多的星系只有一个厚盘。但在后期，更多的星系具有双层结构，并额外包含一个薄盘部分。

这一证据支持了星系形成始于厚盘，薄盘后来形成的观点。观测还表明，质量更大的星系更早地形成了它们的薄盘。

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）。

通过测量银河系中恒星的年龄，并将其与111个星系进行比较，研究人员确定类似银河系的星系中薄盘的形成时间约为80亿年前。

研究小组还研究了这些星系中的气体运动和恒星结构，以了解厚盘和薄盘的顺序形成过程。他们的观测结果支持“天生热”的假说。

他们发现，早期宇宙中的星系盘是湍流的，富含气体。湍流盘中存在着强烈的恒星形成，最终形成了厚厚的恒星盘。随着这些初始星系盘的发育，它们逐渐稳定下来，湍流也随之减弱。一旦星系盘恢复平静，一个由更古老、更低金属丰度恒星组成的新星系盘就会在由更古老、更低金属丰度恒星组成的星系盘内部形成，新星系盘由更年轻、更高金属丰度的恒星组成。

研究小组还发现，质量最大的盘状星系将气体转化为恒星的效率更高，而且它们形成薄盘的速度比质量较小的星系更快。“在大质量星系中，从单盘到双盘的转变发生在大约80亿年前，比在低质量星系中大约40亿年前的转变略早，”他们解释道。

观测和分析还表明，两个盘状结构成分的形成并非连续的。相反，这两个过程是重叠的。“尽管本研究揭示了由厚盘到薄盘的形成过程，但其主要顺序性表明了两个盘状结构共同演化，厚盘随着星系的增长而不断增长（尽管其增长效率低于薄盘）。

这张图展示了两个星系盘如何同时形成和演化，而非严格按顺序进行。图中绘制了两个星系盘分解后的薄盘和厚盘质量与它们的总恒星质量的关系图。

蓝色三角形代表薄盘测量值，红色方块代表厚盘测量值，本研究涵盖了红移范围0.1-2。为了进行比较，蓝点和红点分别代表红移z=0时的薄盘和厚盘测量值。

虽然这些观测主要关注遥远而古老的星系，但它们也揭示了一些关于我们自身星系演化过程的信息。“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，