银河系盘面生来厚实，用了30亿年才变扁平

银河系并非一开始就是今天所见的那层薄而扁平的盘面。太阳周围恒星的精确年龄表明，银河系最早的盘面是一层厚实、翻涌的气体与年轻恒星，随后快速变平，再减速至几乎停滞，而这一过程至今仍在继续。

这回答了一个天文学家争论了四十年的问题：银河系厚盘中的老年恒星究竟是诞生于银道面之上高处，还是原本诞生于扁平盘面，后来被旋臂、气体云和棒状结构向上踢散？新的测量结果明确指向第一种答案，至少对于银河系的早期阶段而言是如此。

这一结果来自ChronoGal项目，该项目位于特内里费岛的加那利群岛天体物理研究所（IAC），利用欧洲空间局盖亚（Gaia）卫星的数据推算恒星年龄。项目第一作者、IAC博士研究生大卫·米拉巴尔（David Mirabal）称这是“首次清晰的观测证据，支持了关于银河系早期阶段的两种模型之一”。

这两个阶段截然不同。在第一阶段，盘面恒星相对于银道面中平面的典型高度在约20亿年内从超过4100光年下降至约1600光年。大约108.5亿年前的一个转折点之后，变薄速度减缓了约五十倍，如今新恒星形成于厚度约400光年的薄层中。

盖亚年龄如何将40年的争论变成一次测量

盖亚测量了超过十亿颗恒星的位置、运动和亮度，但它不会给任何一颗恒星打上年龄标签。ChronoGal通过统计方法获取年龄。研究团队构建了一个颜色-星等图，即每颗恒星有多亮、多蓝或多红的散点图，并用来自恒星演化模型的已知年龄和化学组成的合成恒星进行拟合。最佳组合告诉他们每个年龄和金属丰度下形成了多少颗恒星。

该方法的年龄精度优于5%，这意味着即使对于超过100亿年的恒星，误差也仅有约5亿年。这一精度正是关键所在。此前的研究按化学组成分组恒星，以此作为年龄的替代指标，但那些分组混合了年龄差异极大的恒星，从而模糊了该团队想要寻找的早期快速变化。

研究人员以太阳为中心构建了两个圆柱体：一个半径约815光年，用于研究轨道平坦、较冷的恒星；另一个半径约2450光年，用于研究轨道更热、更倾斜的恒星。他们将两个圆柱体分别切分为八个层，最高至银道面上下约3260光年，校正了每一颗因尘埃遮挡或过于暗淡而未被盖亚观测到的恒星，并将结果按相同年龄和金属丰度归为不同星族。

对于每个星族，他们测量了标高，即恒星在银道面上下分布直至稀疏的标准尺度。将标高对年龄作图，得到两条直线，中间有一个尖锐的转折点。对数据进行拟合的模型将转折点定在108.5亿年前，误差约1.3亿年。

生来蓬松，而非被扰动散开

此前有两种竞争观点。在加热模型中，恒星始终诞生于薄而冷的层中，经过数十亿年，与气体云、旋臂和棒状结构的相互作用使它们的轨道被抬高，因此老年恒星之所以位于高处，仅仅是因为它们被扰动的时间更长。在倒置模型中，年轻银河系的气体本身湍动而厚实，因此第一批恒星诞生于高处，而每一代后来的恒星则形成于更平静、更薄的层中。

加热过程缓慢而稳定。它很难解释一个盘面在约20亿年内失去超过一半厚度的情况，尤其是在一个仍在吞噬较小星系的年轻银河系中，这些碰撞本应使盘面保持炽热。最近一次大碰撞，即与一个名为盖亚-香肠-恩克拉多斯的矮星系的碰撞，发生在大约100亿年前，大致与快速阶段结束的时间吻合。作者得出结论，整个湍动、倒置的阶段持续了约30亿年。

这种对比让尺度变得易于感受。研究中年龄最大的星族分布的高度超过了厚盘通常教科书上的标高值，约2900光年。太阳诞生于约46亿年前，属于平静阶段，当时沉降速率已降至大约每10亿年120光年。用作者的话说，这些蓬松的老年恒星是“早期银河系组装阶段的结构化石”。

这一模式也与宇宙学模拟吻合。对类似银河系星系的模型（包括FIRE-2模拟）预测了一个爆发式、混乱的早期时代，恒星诞生于无序轨道，随后快速坍缩成一个旋转的薄盘。今年另一项研究将银河系开始以盘面形式旋转的时间定在大约120亿年前（误差范围较大），这与快速变薄的起始时间吻合。

恒星年龄未能解决的问题

该测量仅覆盖了太阳邻域，即太阳周围几千光年的范围。银河系直径约10万光年，内盘和外盘可能以不同的时间表沉降。从内银河系迁移而来的恒星（其金属含量异常丰富）被排除在拟合之外，因为它们不会遵循局部的趋势。

早期快速阶段所依赖的数据点很少。老年星族斜率的误差很大：快速阶段的沉降速率可能比最佳估计值低约45%或高约75%。对于最老的两个星族，研究团队只能设定标高的下限，而热样本中的一些星族不得不手动分离，尽管作者报告说，当他们均匀划分数据时，得出了相同的结论。

加热模型也未被排除。对于平静阶段，逐渐变薄的过程与两种模型都吻合得很好。模拟表明，这两个过程共同作用，加热贡献了标高随年龄整体上升的30%至40%。此外，研究中的每一个年龄都依赖于恒星演化模型，因此这些模型中的系统性误差将改变整个时间线。

关于银河系厚盘和薄盘的常见问题

什么是银河系的厚盘？

它是更蓬松、更古老的一层恒星，与旋臂和大多数年轻恒星所在的薄盘重叠。其中的恒星通常年龄超过约100亿年，金属含量较低，轨道更倾斜。新研究表明，它首先由湍动气体形成，而非后来从薄盘加热而来。

天文学家如何测量恒星的年龄？

对于单颗恒星来说很困难，因为恒星的颜色和亮度在数十亿年间缓慢变化。ChronoGal将大量恒星样本的颜色和亮度一次性与恒星模型进行拟合，从而为整个星族提供优于5%的年龄精度，对于最老的恒星约为5亿年。

银河系的盘面有多厚？

这取决于恒星的年龄。最新恒星形成的薄层标高约为400光年，而本研究中年龄最大的星族则超过4100光年。银河系本身直径约10万光年，因此即使厚盘相对于其宽度来说也算薄的。

倒置形成是什么意思？

它意味着盘面是从上到下形成的：第一批恒星诞生于厚而湍动的气体层中，每一代后来的恒星则形成于更薄、更平静的层中。相反的观点是，每颗恒星都诞生于薄层，只是后来才逐渐向上漂移。

下一步计划

该论文于2026年10月16日发表在《天体物理杂志快报》上，IAC于10月19日公布了这一结果。ChronoGal由欧洲研究理事会高级资助项目资助，并已将该盖亚方法应用于内银河系和最早的盘面恒星。

下一次检验将在2026年12月2日到来，届时欧空局将发布盖亚数据第四版，涵盖5.5年的观测数据。更精确的视差和更远恒星的运动数据，将使团队能够检验108.5亿年前的转折点是否出现在太阳邻域之外，或者银河系是否在其他地方以不同的时钟沉降。

参考文献：Mirabal et al., “A Two-stage Settling of the Milky Way Disk Revealed by Precise ChronoGal Ages,” The Astrophysical Journal Letters, 2026. DOI: 10.3847/2041-8213/aeb0a3

标签: 天文学, ChronoGal, Gaia, Instituto de Astrofísica de Canarias, 厚盘, 恒星年龄