130多亿年来，银河系经历了什么？

银河独自转动着璀璨的年轮。青铜时代的牧羊人曾对着它占卜吉凶，大航海时代的冒险家借助它辨认方向。而今，它依然垂落如瀑，将李白的霜、梵高的鸢尾、还有你未说出口的怅惘，统统卷入那永恒旋转的星涡之中。

银河系示意图

如果你有机会目睹银河的真容，那片横亘于暗夜的璀璨星河，定会以其恢弘气势将你俘获。墨色天幕被星子织成银带，亿万光点在虚空中流转，是宇宙不慎打翻的碎钻，倾泻出神秘而磅礴的美。好奇如萤火在心间跃动，敬畏似潮汐漫过堤岸。它在光年外静默，却又铺满整个视野，指尖似能触到那些微凉的光。这种咫尺天涯的张力，牵起人与宇宙的隐秘纽带。

岁月在地面刻下皱纹，银河却如亘古的守望者。先人的想象曾在此栖居，鹊桥的传说、星轨的私语，都被它温柔收纳。孤独悬于夜空，却因每束仰望的目光，永远鲜活。

仰望银河。 作者 /王超

/什么是银河？

银河实际上是我们所在的银河系的盘状结构，天文学家称作银盘。银河系是由大量恒星、气体等可见和不可见物质在引力束缚下组成的一个星系。从物质分布角度看，银河系存在不同的结构，最显著的结构是银盘、核球以及银晕。

银河系结构示意图

银盘，顾名思义，是一个圆盘状但径向延展的结构，它主要由大量的恒星和气体组成。银河系中的恒星绝大部分在银盘上，银盘恒星总质量约为400亿倍太阳质量，银盘半径约为65000光年。虽然银盘恒星数目庞大，但是它们的运动总体上井然有序，几乎都在围绕银河系中心做快速公转运动。太阳是位于银盘上的一颗普通G型矮星，距离银河系中心约27000光年，当前的公转速度约240千米每秒。太阳围绕银河系中心转一圈需要2.26亿年。太阳的年龄为46亿年，由此不难得知太阳自诞生以来围绕银河系公转了大约20圈。

当然，银盘恒星的公转并非简单又理想的圆轨道运动，且有一定的几率发生轨道迁移，这使得恒星在运动过程中可能会经历不同的环境。太阳就被认为可能诞生于距离银河系中心22000光年以内的更内部区域，经过径向轨道迁移才到达今天的位置。同时，有研究指出，太阳正在穿越一片分布不均匀的气体云区，气体云与太阳系的相互作用会改变后者的环境，这可能影响了地球历史上的温度和气候。尽管如此，银盘恒星的轨道和环境变化是相对比较温和的。整体而言，银盘上的海量恒星及其相对有序、稳定的存在，也许对于生命的存在和演化具有重要意义，我们存在于银盘上这个事实也许并不简单是一个偶然。

穹顶之下 作者 / 杨友利

对海量恒星分布的解析揭示银盘实际上具有双盘特性，它包含了薄盘和厚盘两个结构子成分。顾名思义，薄盘相对于厚盘而言几何结构上更薄、更延展。利用e指数函数描述恒星数密度分布，薄盘的标高（密度下降到1/e的位置）约为300秒差距（1秒差距等于3.26光年），标长约为3000秒差距；而厚盘的标高约为900秒差距，标长约为2000秒差距。此外，薄盘还包含了复杂子结构，包括边缘增厚、翘曲、旋臂等。

银盘的内部与核球相连。核球（bulge）是银河系中央区域一个恒星密度更高的结构。近年来的研究发现，银河系核球的主要成分实际上是一个棒状恒星结构（bar），它围绕银河系中心以刚体形式高速旋转。银盘的外部是广袤的银晕。银晕（halo）的半径大于65万光年，是银盘的10倍以上，但银晕中恒星数量稀少，恒星总质量不足银盘的1/10，且恒星的运动轨迹显得杂乱无序。然而，银晕是银河系中暗物质的主要存在场所，为银河系提供了大部分的引力势能。

在宇宙中，银河系就像一个孤立的岛屿，而整个宇宙存在着数千亿个宇宙岛（星系）。虽然像银河系这样的星系不在少数，但不是所有的星系都存在“盘”结构。相反，星系的形态呈现出多样性，盘星系只是其中的一类，我们常见的椭圆星系、矮椭圆星系等则不具有盘结构。

银河系的孪生星系。图为M101（credit: NASA/HST）；被认为与正面看到的银河系相似.

/银盘是怎么形成的？

星系盘的形成需要带有角动量的气体，气体再聚集形成恒星。现有星系形成模型认为星系在暗物质晕里面形成。星系形成早期，气体受到引力作用而掉入暗物质晕，然后通过辐射冷却朝星系中心塌缩。暗物质晕成长过程中可能通过潮汐力矩获得初始角动量，由于气体塌缩过程角动量守恒，塌缩到星系中心的气体旋转速度增加，形成盘状结构。随着恒星在气体盘上形成，出现恒星盘。恒星辐射、星风、超新星爆发等恒星反馈以及星系并合等过程会对盘的形态进行调制。

自20世纪80年代以来，银河系双盘结构的起源就一直是一个研究焦点。观测发现薄盘和厚盘在恒星的化学组成和轨道运动参数等多方面性质都有不同。相较而言，厚盘恒星金属含量更低、轨道偏心率更大、年龄更老，说明厚盘形成更早。一般认为厚盘形成于100亿年前，而薄盘则是在过去几十亿年间形成并逐渐成长起来的，但双盘形成的物理机制以及它们之间的演化关联仍不清楚。关于厚盘的形成机制也存在不同的观点，一种观点认为厚盘是由于早期的薄盘受到星系并合扰动加热而产生的，另一种观点认为厚盘生来就“厚”（热），而后天加热不是主因。

过去十年，数个大规模巡天项目在银河系观测方面取得了突破性进展。欧洲空间局（ESA）发射的盖亚（Gaia）天体测量卫星获取并公开释放了18亿颗恒星的位置、视差和自行。我国郭守敬望远镜（LAMOST）获取并公开释放了2000多万条恒星光谱，天文学家由此测定出数百万恒星的物理参数，包括视向速度、有效温度、表面重力加速度，以及包括C、N、O、Mg、Al、Fe、Ba等在内的近20种化学元素的丰度等。同时，这些观测促使精确测定恒星年龄成为了现实，为理解银河系演化提供了前所未有的海量恒星年代学信息。

银河画卷 作者 / 王至璞

郭守敬望远镜和盖亚卫星测量给出的精确恒星年龄和化学运动学信息表明，薄盘和厚盘具有不同的物理起源，它们各自独立形成和演化而非继承关系。它们起源于时间上明确不同的阶段，对应着不同的化学增丰历史和运动学历史。

其中，厚盘形成于银河系早期阶段，因此也被叫作“古银盘”。古银盘的尺寸并不大，绝大部分恒星位于距离银河系中心8000秒差距范围以内。古银盘恒星总质量约为200亿倍太阳质量，主要形成于约110亿年前的一次恒星形成集中爆发事件，这导致很短的时间内形成了大量恒星，峰值恒星形成率达到了10倍太阳质量每年以上。造成这次恒星形成爆发事件的原因尚不清楚，有研究推测当时的银河系与一个大型矮星系发生了相互作用，促发了古银盘的恒星形成。80亿年前，古银盘的形成过程迅速停止，此时古银盘恒星的金属含量已达到了太阳的数倍以上。造成古银盘形成过程熄灭的原因目前也无定论，一种观点认为主要是因为此前的剧烈恒星形成将气体原料消耗殆尽，而另一种观点认为这归因于80亿年前发生的一次剧烈星系并合事件。

薄盘的形成始于迄今约80亿-90亿年前。此时，大量的金属含量比太阳低数倍的气体开始涌入银河系并形成恒星。数十亿年来，薄盘从内往外逐步成长，这个过程一直持续到今天，当前的恒星形成率约为2倍太阳质量每年，累计形成了超过200亿太阳质量的恒星，总质量与古银盘相当，薄盘尺寸也扩展到了距离银河系中心约20,000秒差距（6.5万光年）。过去80亿年间，银河系经历的最主要的外部事件是人马座矮星系与银河系的并合。人马座矮星系曾多次穿越银盘，有研究认为该事件导致了薄盘恒星形成率的间歇性增加。尽管如此，由于人马座矮星系的质量相对于银河系的质量差距太大，该并合事件对薄盘造成的影响是有限的，银盘因此得以保持一个相对安稳的环境，并未受到毁灭性破坏。

银河系的孪生星系。图为NGC 891（credit: NASA/HST）；被认为与侧面看到的银河系相似。

相较而言，星系并合事件对早期银盘的影响更加显著。观测结合数值模拟的研究表明，厚盘确实有可能生来就“厚”，但同时它也被早期星系并合过程显著加热了。以上两种动力学机制的贡献都不可忽略，共同造就了今天的厚盘。薄盘的动力学演化主要受到旋臂、巨分子云等结构对恒星进行散射等过程的加热效应影响，这导致年龄越大的薄盘恒星速度弥散越大、空间分布标高越大。

/先有晕还是先有盘？

厚盘恒星主要形成于110亿年前，那么在这之前的银河系长什么样？理解早期银河系有两个困难。一是银河系经历了漫长的演化，我们根据对恒星的观测仅能推断出早期银河系的部分信息，很难完整反演其全貌；二是古老恒星的数量稀少，获取大样本古老恒星且精确测定其年龄、化学元素组成等极具挑战。

20世纪60年代Eggen、 Lynden-Bell和Sandage提出了经典的气体塌缩星系形成模型，认为星系先形成晕后形成盘。70年代后期，暗物质主导下的等级成团理论被提出，这在解释宇宙大尺度结构性质上取得巨大成功，取代了经典模型并逐渐发展成了当前宇宙结构形成标准理论。尽管如此，在半个多世纪里天文学家始终普遍认为银晕是银河系最古老的结构。这主要是因为银晕恒星具有更低的金属含量。恒星核合成不断将氢元素转化为金属元素，宇宙物质总是从贫金属到富金属演变，更低金属含量的恒星通常被认为形成更早。同时，银晕恒星速度弥散大，易形成于早期剧烈动荡的环境，而盘则被认为是星系气体逐渐增丰并冷却之后形成的结构。

破晓前，宇宙的私语。作者 / 初一

20世纪90年代以来，天文学家通过大型巡天数据在银晕中发现了多个矮星系并合事件的遗迹。有的矮星系遗迹在恒星空间分布上表现出星流结构，例如人马座星流，而有的矮星系遗迹仅在运动学和化学性质上表现出成协。这些遗迹表明星系并合是银晕形成的重要方式。但受限于观测，很长一段时间以来学界认为矮星系遗迹在银河系外晕中占主导，而内晕（约2-3万秒差距以内）则仍是以银河系本地形成的星族为主。直到2018年，Gaia卫星联合地面望远镜光谱巡天的化学运动学数据以出人意料但令人信服的证据表明，绝大部分内晕恒星实际上形成于一个矮星系，它们在一次星系并合事件中被早期银河系吞并。这个矮星系被两个独立的研究团队分别命名为Gaia-Enceladus和Gaia-Sausage，后被简称GSE。

GSE与银河系并合发生的时间大约在80-110亿年前这个范围，具体时间仍有争论。GSE并合时间的不确定也使得天文学家对该事件对银盘形成造成的影响持有不同的观点。但GSE的发现使得天文学家迅速认识到一个事实：银晕其实几乎完全是星系并合事件的产物。银晕里面绝大部分恒星都诞生于矮星系，在多个星系并合事件中被银河系吞并。这也表明了银晕并不一定是最古老的结构，并留下了一个巨大的谜团：GSE大碰撞之前的早期银河系到底是什么样的？

郭守敬望远镜和Gaia卫星联合提供了最精确的恒星年龄大样本。通过对恒星年龄和化学运动学的分析，天文学家吃惊地发现银河系盘族恒星出现的时间可追溯至130多亿年前，远早于过去的认知，甚至比银晕形成的时间早20亿年。通过对古老恒星空间分布的研究，天文学家进一步还原出了早期银盘结构随时间（年龄）的演化，揭示早期盘结构不仅形成时间可追溯至135亿年前，而且竟然在经历了130多亿年的演化后仍得以保存至今而未被摧毁。

LAMOST上的双子座流星雨。摄影 / 白一帆

在厚盘以及银晕形成以前，就已经存在的极早期银盘结构被命名为“盘古”。“盘古”是今天仍幸存的最古老星系盘结构，其在宇宙前10亿年内形成的恒星质量就达到了20亿倍太阳质量，金属丰度达到了太阳的1/10以上，表明了星系盘结构可以在宇宙诞生后形成和增丰。“盘古”的幸存也表明了银河系过去130多亿年内始终维持了一个相对安宁的环境。虽然早期银河系与多个矮星系发生了碰撞并合，但这些事件相对温和，没有剧烈到摧毁早期银盘的程度。

与此同时，一些天文学家坚持认为早期银河系仍有可能形成了一个本土的晕结构。该本土晕结构尺度很小，距离银河系中心仅千秒差距范围，恒星的金属含量普遍很低，因此被命名为银河系“贫金属心脏”，其质量约为5亿倍太阳质量。该结构的本质及其与“盘古”的关系有待深入理解，但似乎可以确定的是，盘是宇宙第一个十亿年内银河系的一个主要结构，银河系很可能自古以来就是一个盘星系。

/银河系形成历史特殊吗？

对TNG50星系流体数值模拟分析发现，与银河系质量相似的盘星系中，仅有16%的模拟星系具有与银河系相近的盘结构。大多数模拟星系的盘比银盘更厚，这是因为它们经历了更强烈的并合过程，这些过程对盘的形态产生了更显著的影响。这说明银河系可能比一般星系要更加宁静，银河系早期环境可能并没有大多数星系早期那般动荡。

另一方面，韦布空间望远镜（JWST）发现，宇宙早期星系的恒星形成速率远超理论预期，并揭示盘星系普遍存在于红移大于5（宇宙学年龄125亿年前）的早期宇宙。近来，JWST和阿塔卡马大型毫米[/亚毫米]波阵（ALMA）发现了数例红移7以上（对于宇宙学年龄为130亿年前）的高红移盘星系。这些来自高红移星系的观测结果与极早期银盘的发现是自洽的，表明我们对宇宙早期星系形成的理解还有待深入。

韦布空间望远镜（JWST）发现红移5.2处存在与银河系形态类似的星系。 来源／NASA

在星辰大海的征程上，我们的探索永不止步。或许在某一天，我们将解码暗物质的密语，绘制出银河系最完整的时空图谱。每一次观测都是与远古星光的对话，每一次发现都在重写人类对宇宙的认知。这场穿越时空的探索，终将让我们读懂银河系这部用星光写就的史诗，揭示恒星生死与银盘演化间永恒的联结，走向与银河真相相遇的璀璨黎明。

—— 本文选自《中国国家天文》2025年第8期

作者简介 /

向茂盛，中国科学院国家天文台研究员、博士生导师，主要从事银河系结构与演化、恒星物理及天文大数据研究。依托郭守敬望远镜（LAMOST）取得多项原创研究成果，尤其是推动了大样本恒星年龄测量及银河系演化研究；在主流天文期刊发表论文百余篇，研究成果入选《自然》杂 志封面文章、“中国十大天文科技进展”及央视“年度国际十大科技新闻”。

来源：中国国家天文

编辑：夜凌Ryelin

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