天文学家最新研究认为银河系约 130 亿年前形成，这有哪些 ...

一段或九段肝

银河系有多大年纪了？它是如何形成和演化的？国际著名学术期刊《自然》北京时间3月24日以封面文章形式发表天文学家最新研究成果论文指出，银河系可能经过了不同的演化阶段，其起点是约130亿年前盘族恒星的形成。


　　这一重大天文研究结果来自对近25万颗恒星年龄的精确计算，由德国马普天文研究所向茂盛博士和汉斯·沃尔特里克斯(Hans-Walter Rix)教授合作完成。他们基于中国科学院国家天文台运行的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜(大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜，LAMOST)和欧洲空间局天体测量卫星盖亚望远镜(Gaia)的巡天观测数据，获取迄今最为精确的大样本恒星年龄信息，按照时间序列清晰还原银河系幼年和青少年时期的形成与演化图像，改写了人们对银河系早期形成历史的认知。


　　为研究银河系的形成历史，这两位天文学家从望远镜巡天数据中鉴定出约25万颗处于亚巨星阶段的恒星，其空间体积占到银河系的一大部分。他们估算出这些恒星的个体年龄为15亿年到138亿年不等，随后研究确认并表征了盘族恒星和晕族恒星中不同结构元素的起源，其结果显示，银河系厚盘的形成在约130亿年前就已开始，只比宇宙大爆炸晚了8亿年。

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科学家利用两座超大望远镜，重新确认了对银河系的形成时间和形成方式的认知。




艺术图，欧洲航天局的盖亚航天器在银河系中定位恒星

误判某人的年龄可能会很尴尬，尤其是当相差几十亿岁的时候。3月23日发表在《自然》杂志上的一项研究表明，我们的银河系可能就是这样。在这项新的研究中，科学家们利用两架强大的望远镜收集的亮度、位置和化学成分数据推断出银河系中大约25万颗恒星的年龄。这两架望远镜分别是欧洲航天局(ESA)的“盖亚轨道天文台”和中国的“大天空区域多目标光纤光谱望远镜”(LAMOST)。
研究小组发现，银河系中被称为“厚盘”部分的数千颗恒星大约在130亿年前开始形成，比预期的时间早了20亿年，仅在大爆炸后8亿年。“我们的研究结果提供了关于银河系那部分的精致细节，比如它的生日、恒星形成速率和金属元素富集历史，”该研究的首席作者、德国海德堡马普天文研究所的天体物理学家向茂盛在一份声明中说。“利用盖亚轨道天文台的数据将这些发现整合在一起，将彻底改变我们对银河系形成时间和方式的认识。”




这张图展示了银河系的结构，中间有一个巨大的凸起，两边有两个恒星盘(厚盘和薄盘)。

银河系是一个螺旋星系，直径约为10.5万光年，但螺旋星系的所有部分在厚度、组成或恒星密度上都不是均匀的。在我们星系的中心附近有一个巨大的恒星凸起(可能还有一个超大质量的黑洞，它的引力将星系凝聚在一起)。在凸起的两侧呈涟漪状的是星系的圆盘，它由两个主要部分组成，“薄盘”和“厚盘”。
“薄盘”部分包含了我们从地球上可以看到的大部分恒星，它们与恒星形成的气体云混合在一起。与此同时，“厚盘”的高度大约是“薄盘”的两倍，但半径要小得多，只包含了我们在天空中可以看到的恒星的一小部分。银河系的“厚盘”部分也被认为是更古老的，其中没有气体和尘埃，和它最开始形成的时候一样。
在他们的新研究中，研究人员观察了整个银河系的恒星，重点关注一种被称为亚巨星的特定类型的恒星。这些恒星的核心已经停止产生能量，并正在缓慢地转变为红巨星，这是一种正在坍缩为白矮星的巨大恒星。据研究人员称，亚巨星阶段是恒星演化过程中一个相对短暂的阶段，这意味着天文学家可以更准确地估计这些恒星的年龄。
相比于年轻的恒星，较老的恒星往往在特定的亮度范围内发光。该团队能够通过计算机模拟运行两个望远镜的数据来确定它们的恒星样本的日期。研究人员发现，银河系厚盘中的恒星确实比其他地方看到的恒星要古老得多，更人惊讶的是这些恒星比之前的研究表明的要古老数十亿年。
据研究人员称，这一发现可能会改写银河系的历史。薄盘和厚盘中恒星的年龄差异表明，我们的银河系是在两个离散的阶段形成的。首先，在大爆炸8亿年后，恒星开始在厚盘中形成。大约20亿年后，当另一个星系与我们的年轻的银河系星系相撞时，厚盘中恒星的形成大大加速，开启了星系演化的第二阶段。在第二阶段，厚盘迅速充满了恒星，此后第一波恒星形成开始于薄盘。
该研究的作者希望在今年6月盖亚轨道天文台的第三个数据集发布后，能进一步充实这个故事的细节。“随着每一个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我们星系的历史，”欧洲航天局盖亚项目科学家蒂莫·普鲁斯蒂在声明中说。

本文参考livescience文章，“The Milky Way's 'thick disk' is 2 billion years older than scientists thought
”，如有兴趣还可查阅原文。


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聪明牛得

目前测定恒星年龄的方法：通过分析恒星表层大气的重元素含量，推导恒星年龄。这种方法是否正确，存在争议，而且出现了少数恒星年龄超过138亿年，有的甚至超过了200亿年。
其根源就是基于流行的宇宙大爆炸理论，天文学家给自己装上了牢笼。所谓银河系形成于130亿年前，纯粹就是猜测。

嗅觉Y不缺失

人类根据现象作出判断的宇宙，只有138亿年历史。客观宇宙根本不存在创生与毁灭，宇宙以聚散兼容的、周期性循环的永恒运行，使宇宙成为时空无穷的运行宇宙。
宇宙不存在没有具体物质、没有具体能量、没有具体激发原因的、抽象的宇宙创生大爆炸。却在所有宇宙范围，此起彼伏不断发生着具体的，各星系（宇宙细胞）新旧更替的更新大爆炸。
138 亿年前的大爆炸，其实是前银河系双联球形范围内所有天体，皆被无休止吞噬的二个球形中心黑洞所兼并。兼并成长为超级大黑洞的引力超出临界值，就开始吸附传递电磁波的空间介质以太。
以太就是游离在空间的、具有斥力的不可再分粒子，只有斥力粒子才能够传递电磁波，这是任何科学家都无法以实验否定的客观事实。被吸附在黑洞表面的斥力粒子，压实成为以致密斥力粒子构成的黑洞表皮。与粒子距离平方成反比的致密斥力，正是强度与黑洞临界引力同等的暗能量。所以超级大黑洞的表皮物质，就是宇宙唯一能够储存着暗能量的特殊物质。
银河系所有天体都被二个中心黑洞吞噬殆尽，没有任何天体干扰的二个孤零零大黑洞，必然互相吸引逐步靠拢。那可是十万光年距离的、以宇宙最大引力形成最大加速度系数的、无障碍自由落体加速度碰撞。138 亿年前不容置疑地发生了，以整个银河系的质量、超级大黑洞表皮储存的暗能量、远超300000000m/s的高速碰撞，真实地激发了银河系（宇宙细胞）更新大爆炸。
表皮暗能量释放大爆炸，把一定深度的黑洞外层致密中子体，震裂成为无数大小破裂、破碎、粉碎中子体。所有中子体都在大爆炸高温下，从表面发生层层深入的膨胀释能反应。在释放致密核能同时，成为体积膨胀百亿亿倍的氢。
体积急剧膨胀与中子体引力等因素形成的压力，迫使贴近中子体的氢与中子重组，成为质量大小与压力大小相应的各种元素。于是形成星系范围内游离着的氢、氦；混合着各种气态物质的，天体外围的大气层；天体表层的各种小质量元素物质；与天体内部层层增加的大质量元素物质。并以恒星与大质量中子星为核心，围绕着行星或小中子星，统率着卫星、各种小天体及宇宙尘埃等。成为以万亿计的恒星、中子星子星系、所组成的新银河系。
以本质宇宙观的、138 亿年前银河系更新大爆炸的创新依据。科学界在银河系发现130亿年高寿恒星，说明科学正在逐步接近银河系更新大爆炸的真相。

聪明牛得

这里补充一点我了解的背景。根据我的理解，首先需要明确的是这里的“银河系形成时间”指的应该是第一批大规模恒星形成的开始时间。如果是银河系所处的暗物质晕结构形成的时间则会更早。那么如何重构出银河系的形成演化历史呢？就需要测量恒星的年龄和化学元素组成。恒星年龄可以告诉我们什么时刻有恒星形成，恒星化学元素组成则携带我们恒星形成所处环境的信息。星际介质中气体引力塌缩形成恒星，恒星内部通过热核反应制造的金属元素通过超新星爆发被“播撒”回星际介质中，下一代新形成的恒星就会“继承”这片气体所含的金属元素，因而越年轻的恒星，金属丰度一般也越高，在恒星年龄-金属丰度图上呈现为一条序列。越大质量的星系恒星形成越快，金属增丰也越快，其恒星金属丰度也越高。
恒星年龄测量

如何求出恒星年龄？通过测量恒星光谱，我们能得到恒星的表面有效温度、金属丰度和 元素丰度 ；测量恒星亮度加上Gaia卫星测得的距离，考虑星际消光改正，根据亮度平方反比定律可得恒星真实的光度（也叫绝对星等），这样我们就知道了恒星在赫罗图（表面有效温度-光度图）上的位置。根据恒星演化理论模型，可以计算出一群具有相同的年龄和化学元素丰度的恒星在赫罗图上的分布曲线，称为“等年龄线”（isochrone），这方面的主要模型有 等，如下图所示由左上到右下，等年龄线的年龄分别是1,2,3,4,6,8,10,12,14,16,18和20Gyr（10亿年）。固定化学元素丰度，改变输入模型的年龄参数，直到“等年龄线”到恒星在赫罗图上的位置的“距离”最小时对应的年龄即是恒星的年龄，根据贝叶斯统计方法可得到恒星年龄的概率密度分布。另一种可测恒星年龄的是“星震学”（asteroseismology）方法，通过分析特定种类恒星光变曲线的频谱反推恒星年龄，一般越年老的恒星自转周期越长。



基于Y^2模型计算的等年龄线，来自Fig.1a。

下图是将其中的厚盘和内银晕恒星分离出来后在赫罗图上的分布，和100亿年左右的“等年龄线”比较吻合，说明大部分恒星年龄确实在100亿年左右：



来自Fig.1, Gallart et al.(2019)，厚盘和内银晕在赫罗图中的分布。

这项工作的主要亮点是发现太阳邻近的恒星可分成清晰的三个形成-化学增丰序列，数据中表现为占据恒星年龄-金属丰度空间（ ）中集中分布在不同区域，说明他们源自于不同的恒星形成活动：厚盘形成开始于130亿年前，比内银晕（inner Galactic Halo）形成完毕（不是开始形成！）的时刻要早20亿年，而薄盘到80亿年前才开始形成且恒星形成活动持续到今天。

前人工作

在这项工作之前，天文学家已经发现太阳近邻恒星在化学元素空间呈3个团块分布。（其中G-E代表110亿年前和原初银河系发生并合的Gaia-Enceladus矮星系的恒星，是内银晕的主要成分。由于Gaia-Enceladus矮星系质量小于原初银河系，其恒星分布在相对低金属丰度区间）：



红外巡天APOGEE DR14对太阳近邻恒星化学元素丰度分布的观测结果，来自Figure 17, Helmi(2020) 。橙色点是银盘恒星。

厚盘恒星年龄分布在80-100亿年处有一个峰，而内银晕的恒星年龄大部分都要高于100亿年，这很可能就是Gaia-Enceladus矮星系和原初银河系发生并合时带来的自身的恒星，而厚盘就是由那次并合触发的大规模恒星形成活动的产物。星系间并合可引发大量气体内流，促进恒星形成，这在观测和宇宙学模拟中都有所体现。



基于Gaia卫星释放的第二批数据得到的近邻厚盘和内银晕恒星的年龄累积概率分布，来自Figure 15, Helmi (2020)

今天这项工作首先在年龄精确度上显著提高（相对误差只有7.5%）如下图所示，相比2019年Nature Astronomy上的一篇文章，恒星样本在年龄-金属丰度区间的成团性更加显著，其次selection criteria定得很好，将太阳近邻恒星在年龄-金属丰度空间进行了清晰的区分，有力地从观测上证明银河系并合矮星系成长的历史导致了银盘中不止一条恒星形成-化学增丰序列，勾勒出了清晰可靠的银河系演化和化学增丰历史的图像。



左图来自Fig.3a,Gallart et al.(2019)，只包含厚盘和内银晕的恒星，右图来自Xiang & Rix(2022)

参考文献

• Helmi, Amina Annual Review of Astronomy and Astrophysics, vol. 58, p.205-256, August 2020
  
• Gallart, Carme, et. al, 2019, Nature Astronomy, Volume 3, p. 932-939
  
• M. Xiang and H.-W. Rix. A time-resolved picture of our Milky Way’s early formation history. Nature. Published online March 23, 2022. doi: 10.1038/s41586-022-04496-5
  

外网相关新闻报道：

• Phys.org- Gaia mission finds parts of the Milky Way much older than expected
  
• ScienceNews-Here's the best timeline yet for the Milky Way's big events
  
• Universe Today-Part of the Milky Way Is Much Older Than Previously Believed