新研究揭示銀河系厚盤形成機制 _恒星

左圖樣本恒星[Mg/Fe]-[Fe/H]分布，藍色圓點代表普通厚盤恒星，紅色圓點代表厚盤中的低鎂恒星。右圖為樣本中厚盤恒星軌道的極大銀心距-偏心率分布，紅色圓點代表厚盤中的低鎂恒星。
（）據(jù)中國科學院國家天文臺：近日，國家天文臺天體豐度與星系演化研究團組邢千帆博士與趙剛研究員利用郭守敬望遠鏡（LAMOST）光譜巡天數(shù)據(jù) ，對太陽鄰域F和G型矮星的鎂元素豐度進行了詳細研究。首次在銀河系厚盤中發(fā)現(xiàn)了吸積成分的存在，這些恒星具有異常偏低的鎂元素豐度，并表現(xiàn)出較大的軌道偏心率和極大銀心距，是銀河系并合周圍矮星系的遺跡，為富氣體并合模型描述的厚盤形成機制提供了觀測上的支持。該研究已在英國《皇家天文學會月刊》(MNRAS)上發(fā)表。
銀盤中厚盤成分的發(fā)現(xiàn)由來已久，但厚盤的形成機制一直懸而未決。徑向遷移模型提出銀盤恒星會在徑向發(fā)生向內(nèi)或向外的遷移，在遷移過程中導致銀盤增厚，從而形成厚盤；加熱模型認為厚盤是由在衛(wèi)星星系并合過程中被動力學加熱的盤星構成；吸積模型則提出厚盤主要由內(nèi)落的衛(wèi)星星系構成；富氣體并合模型認為富氣體的并合過程導致了厚盤的形成，厚盤主要由本地形成的恒星構成，并混雜了被吸積進來的恒星。后兩種模型均認為厚盤中存在從矮星系吸積而來的恒星，但它們在吸積成分所占比重上存在差別。
銀盤中吸積成分存在與否以及其所占比重對確定厚盤的形成機制有重要意義。本研究從LAMOST光譜庫中篩選出了具有自行和距離信息的F和G型矮星，按照運動學性質(zhì)將樣本劃分為厚盤、薄盤和暈三個成分，通過分析厚盤和薄盤星的[Mg/Fe]-[Fe/H]分布探究銀盤的形成和演化。結果顯示利用[Mg/Fe]可以較好地區(qū)分厚盤和薄盤成分，它們之間存在一個明顯的低密度區(qū)域（圖1）。相較薄盤恒星，厚盤恒星具有更高的[Mg/Fe]和更低的金屬豐度，表明厚盤恒星形成時間較早。厚盤中同時存在少量[Mg/Fe]異常偏低的恒星，它們偏離厚盤恒星總體的[Mg/Fe]分布趨勢，與銀河系近鄰矮星系成員星具有相近的豐度特征。軌道參數(shù)分析結果顯示低鎂恒星具有較大的軌道偏心率和極大銀心距，使得它們可以運行到更為遠離銀心的位置，暗示厚盤中的低鎂恒星源自瓦解的矮星系。
厚盤中吸積成分的發(fā)現(xiàn)肯定了矮星系對厚盤形成的物質(zhì)貢獻，但吸積成分在厚盤中占比較小，遠低于吸積模型的預期。厚盤主要由本地形成的恒星組成，并擁有少量吸積自矮星系的恒星，與富氣體并合模型的預期相符。該研究進一步分析了厚盤恒星的軌道偏心率分布，與基于富氣體并合模型的數(shù)值模擬結果相一致，為該模型提供了觀測上的支持。
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（）據(jù)中國科學報（倪思潔）：近日，中科院國家天文臺天體元素豐度與星系化學演化研究團組邢千帆博士與趙剛研究員利用郭守敬望遠鏡（LAMOST）光譜巡天數(shù)據(jù)，在銀河系厚盤中確認了吸積成分的存在，為富氣體并合模型描述的厚盤形成機制提供了觀測上的支持。該研究成果發(fā)表于英國《皇家天文學會月刊》。
厚盤的形成是個謎
夏季晴朗的夜晚，仰天望去，銀河橫跨星空，玉帶一般懸于天際，壯闊而美麗。但正所謂“只緣身在此山中” ，身處銀河系之中的我們，很難認清銀河系的全貌。
與其他旋渦星系一樣，銀河系盤結構也被認為是一個包括薄盤和厚盤在內(nèi)的結構。其中，厚盤的標高較大，由較為年老的恒星組成。
對銀河系而言，厚盤結構的發(fā)現(xiàn)由來已久，但厚盤的形成機制一直懸而未決。關于厚盤的形成機制，出現(xiàn)了不少模型，其中最經(jīng)典的有4種——徑向遷移模型、加熱模型、吸積模型、富氣體并合模型。
徑向遷移模型認為，銀盤恒星會在徑向發(fā)生向內(nèi)或向外的遷移，在遷移過程中導致銀盤增厚，從而形成厚盤；加熱模型認為，厚盤是由矮星系并合過程中被動力學加熱的盤星構成；吸積模型認為，厚盤主要由內(nèi)落的矮星系構成；富氣體并合模型認為，富氣體的并合過程導致了厚盤的形成，厚盤主要由本地形成的恒星構成，并混雜了被吸積進來的衛(wèi)星星系的恒星。
“后兩種模型均認為厚盤擁有吸積自矮星系的恒星。吸積模型中，超半數(shù)的厚盤恒星來自瓦解的矮星系，而在富氣體并合模型中，吸積而來的恒星只占很小的比重。”邢千帆告訴《中國科學報》采訪人員。
理論模型的預言需要觀測數(shù)據(jù)來驗證，而受限于恒星光譜的樣本規(guī)模，科學家一直未能確定吸積成分對銀河系厚盤形成的物質(zhì)貢獻。
“異類”恒星現(xiàn)身了
F和G型矮星數(shù)量相對較多且壽命相對較長，能從銀盤形成的初期存活到現(xiàn)在，而且它們的化學豐度與誕生時相比沒有發(fā)生大的變化，可反映其形成時所處環(huán)境的化學組成，常被用來研究銀盤的形成和演化。
科研人員選取LAMOST光譜數(shù)據(jù)中的F和G型矮星樣本，將它們的鎂元素豐度作為研究銀盤的“探針” 。他們通過分析厚盤的鎂相對鐵豐度的分布，在厚盤中發(fā)現(xiàn)了一小撮“異類分子”——鎂豐度異常偏低的恒星。
這些低鎂恒星偏離了厚盤恒星總體的鎂豐度分布趨勢，表現(xiàn)出與銀河系近鄰矮星系成員星相近的豐度特征。同時，這些“異類分子”具有較大的軌道偏心率和極大銀心距，使得它們可以運行到更為遠離銀心的位置，暗示厚盤中的低鎂恒星源自瓦解的矮星系。
由此，科研人員明確了厚盤中吸積成分的存在，肯定了矮星系對厚盤形成的物質(zhì)貢獻。吸積成分在厚盤中占比較?。?遠低于吸積模型的預期，但與基于富氣體并合模型的數(shù)值模擬結果相一致，為富氣體并合模型提供了觀測上的支持。
“厚盤由年老的高鎂恒星組成，但低鎂恒星無法在厚盤中形成，它們異常的軌道參數(shù)顯示它們形成于矮星系，隨后被吸積進銀河系。”一位評審人在評審意見中肯定了論文中科研人員的結論。
這還只是開始
此次發(fā)現(xiàn)在很大程度上得益于LAMOST巡天項目的海量光譜數(shù)據(jù) 。“LAMOST望遠鏡至今已經(jīng)成功獲取了900多萬條恒星光譜，建立了世界上最大的恒星光譜數(shù)據(jù)庫。”趙剛說。
不過在科研人員看來，這一發(fā)現(xiàn)對于銀河系起源研究而言，只是揭開了冰山一角。
“這只是開始。”趙剛說，“矮星系對厚盤形成的貢獻有多大、厚盤中吸積成分的空間分布等，都是仍待解決的關鍵問題。”
銀河系的形成和演化一直是天文學研究的重要前沿課題，在許多方面尚未形成一致觀點，亟待擴展觀測數(shù)據(jù)的規(guī)模和光譜巡天深度，為理論研究提供觀測上的約束。
趙剛告訴采訪人員，為進一步研究銀河系的形成和演化，課題組正在開展國際合作，計劃與日本、美國科學家一起借助日本8米昴星團望遠鏡平臺開展深度光譜巡天，進一步擴大觀測數(shù)據(jù)的深度與規(guī)模。
此外，該課題組還在開展相關的銀河系考古工作。“我們還在對銀河系極端貧金屬星開展搜尋與分析研究，這類恒星的金屬含量很少，形成時期早，是記錄銀河系早期化學演化的化石。同時也研究星流和移動星群等銀河系吸積附近矮星系所產(chǎn)生的遺跡，探索銀河系的并合歷史。”趙剛說。