蓋亞任務發現銀河系的部分地區比我們想象的要古老得多

這一令人驚訝的結果來自于德國海德堡馬克斯-普朗克天文研究所的Maosheng Xiang和Hans-Walter Rix進行的分析。他們從蓋亞的早期數據發布3(EDR3)數據集中獲取了亮度和位置數據并將其跟中國大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡（LAMOST）提供的約25萬顆恒星的化學成分測量結果相結合以推算出它們的年齡。

他們選擇了研究亞巨型恒星。在這些恒星中，能量已經停止在恒星的核心中產生并已轉移到核心周圍的外殼中。這顆恒星本身正在轉變為一顆紅巨星。由于亞巨星階段是一顆恒星生命中相對短暫的演化階段，所以它能非常準確地確定其年齡，但這仍是一個棘手的計算。

恒星的年齡是多少？

一顆恒星的年齡是最難確定的參數之一。它無法被直接測量，而使必須通過比較一顆恒星的特征和恒星演化的計算機模型來推斷出來。組成數據對此則有幫助。宇宙誕生時幾乎只有氫氣和氦氣。其他的化學元素--天文學家統稱為金屬--是在恒星內部制造的并在恒星壽命結束時爆炸回太空，在那里它們可以被納入下一代的恒星中。因此，較老的恒星有較少的金屬，據稱金屬性較低。

LAMOST的數據給出了金屬性。在將亮度和金屬性加在一起，天文學家得以從計算機模型中提取恒星的年齡。在Gaia之前，天文學家經常在20%-40%的不確定性下工作，這可能導致確定的年齡不精確，甚至超過10億年。

蓋亞的EDR3數據發布則改變了這一點。Maosheng指出：“有了蓋亞的亮度數據，我們只需百分之幾就能確定一個亞巨星的年齡。”在掌握了分布在整個銀河系的25萬顆亞巨星的精確年齡，Maosheng和Hans-Walter開始了分析。

銀河系的解剖結構

我們的銀河系是由不同的部分組成的。大體上，這些部分可以被分成光環和星盤。光環則是圍繞圓盤的球形區域，傳統上被認為是銀河系最古老的組成部分。圓盤由兩部分組成：薄盤和厚盤。薄盤包含了大部分的恒星，我們在夜空中看到的縹緲的光帶--我們稱之為銀河系。厚盤的高度則是薄盤的兩倍多，但半徑較小，只包含太陽附近銀河系恒星的百分之幾。

通過識別這些不同區域的亞巨型恒星，研究人員得以建立起一個銀河系形成的時間表--這時他們得到了一個驚喜。

銀河系歷史的兩個階段

恒星年齡清楚地顯示，銀河系的形成分為兩個不同的階段。在第一階段，從大爆炸后的8億年開始，厚厚的圓盤開始形成恒星。光環的內部部分也可能在這個階段開始聚集，但是當一個被稱為Gaia-Sausage-Enceladus的矮星系跟銀河系合并時，這個過程迅速加速完成--約20億年后。它使光環中充滿了恒星，且正如新工作所清楚揭示的那樣，它觸發了新生的厚盤形成其大部分恒星。擁有太陽的薄盤恒星是在隨后銀河系形成的第二階段形成的。

另外，分析還顯示，在跟Gaia-Sausage-Enceladus合并引發的恒星形成爆發之后，厚盤繼續形成恒星，并直到大爆炸后約60億年氣體被用完。在這段時間里，厚盤的金屬性增長了10倍以上。但值得注意的是，研究人員看到了一個非常緊密的恒星年齡-金屬性關系，這表明在整個時期，形成恒星的氣體在整個圓盤中是很好的混合。這意味著早期銀河系的圓盤區域一定是由高度湍流的氣體形成，這些氣體能有效地將金屬傳播得很遠很廣。

感謝蓋亞的時間線

厚盤更早的形成年齡指向了我們銀河系早期歷史的不同圖景。“自從2018年發現Gaia-Sausage-Enceladus的古老合并后，天文學家就懷疑銀河系在光環形成之前就已經存在了，但我們并沒有清楚地了解那個銀河系是什么樣子。我們的結果提供了關于銀河系那一部分的精致細節，如它的生日、它的恒星形成率和金屬富集歷史，”Maosheng說道，“利用蓋亞數據把這些發現放在一起正在徹底改變我們對銀河系何時以及如何形成的看法。”

另外，我們可能還沒有看到足夠遠的宇宙，進而看到類似的星系盤形成。

新的觀測結果可能會在不久的將來出現，因為詹姆斯-韋伯太空望遠鏡已經被優化，它可以看到宇宙中最早的類似銀河系的星系。而在今年6月13日，蓋亞將發布其完整的第三個數據版本（蓋亞DR3）。這個目錄將包括光譜和衍生信息如年齡和金屬性，這將使得像Maosheng這樣的研究更加容易進行。