詹姆斯·韋伯太空望遠鏡向我們展示星系如何演化

研究表明，現代盤狀星系總體上由兩個部分組成：一個薄盤，包含金屬豐度較高的年輕恒星；以及一個厚盤，包含金屬豐度較低的年老恒星。薄盤位于厚盤內部。天文學家正在試圖了解這些部分是如何形成的，以及盤狀星系是如何演化的。為了取得進展，天文學家需要從側面而非正面觀察星系。

天文學家認為，厚盤在星系歷史的早期經歷了一個快速形成階段，而薄盤則在更晚的階段形成，形成時間更長。這使得薄盤有更多機會從星際介質（ISM）中積累金屬。研究人員提出了三種主要機制來解釋這兩種盤之間的差異。

第一種是“天生熱”的設想。這種設想認為，厚盤首先由于強烈的恒星形成而形成。在此階段，盤面劇烈湍流且高溫。最初，這抑制了薄盤的形成。之后，當一切平靜下來后，薄盤與其更年輕、金屬豐度更高的恒星一起形成。

第二種是“漸進增厚”理論。該理論認為恒星最初在星盤中平面附近形成。然后，由于密度波動或來自巨分子云、星系相互作用或合并、螺旋臂，甚至可能是巨型團塊的擾動，星盤逐漸升溫增厚。

第三種情景是非原位情景。該情景認為合并或吸積是厚盤形成的必要條件。然而，目前的觀測似乎并不支持這種說法。

一組研究人員在他們的新論文中解釋道：“所有機制都可以解釋銀河系兩個

圓盤觀察到的定性特征，而且它們不一定是互相排斥的。”

研究人員檢查了111張詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）拍攝的側向盤狀星系圖像。

這些星系的排列使得JWST能夠觀測到它們的垂直盤狀結構。“側向星系的獨特之處在于可以直接研究其盤狀垂直結構以及薄盤和厚盤成分的分解，”作者在研究中寫道。

“在本文中，我們利用不斷增加的JWST公開圖像，通過仔細的目視檢查構建了一個側向星系樣本，并首次研究了宇宙學紅移高達紅移?（大約10億年前）的薄盤和厚盤結構，”他們寫道。

這項研究的這張圖顯示了研究人員樣本中四分之一的側向星系。它們按紅移遞增的順序排列。

并非所有這111個星系都由兩個圓盤組成。

“在我們的樣本中，我們發現28個星系由單個圓盤成分構成，39個星系由單個圓盤+核球構成，19個星系由兩個圓盤成分構成，25個星系由兩個圓盤成分+核球構成。”研究人員解釋道。

作者寫道：“盡管宇宙時間上的基線很寬，但我們在樣本中發現了一些測量的圓盤參數之間明確的相關性。”

觀測表明，盤狀星系遵循著一個明顯的趨勢。在早期宇宙中，更多的星系只有一個厚盤。但在后期，更多的星系具有雙層結構，并額外包含一個薄盤部分。

這一證據支持了星系形成始于厚盤，薄盤后來形成的觀點。觀測還表明，質量更大的星系更早地形成了它們的薄盤。

圖中展示了本研究揭示的星系盤形成的順序：厚盤星系在早期階段占主導地位（下圖），而同時呈現薄盤和厚盤的星系則在宇宙的后期階段更為常見（上圖）。

通過測量銀河系中恒星的年齡，并將其與111個星系進行比較，研究人員確定類似銀河系的星系中薄盤的形成時間約為80億年前。

研究小組還研究了這些星系中的氣體運動和恒星結構，以了解厚盤和薄盤的順序形成過程。他們的觀測結果支持“天生熱”的假說。

他們發現，早期宇宙中的星系盤是湍流的，富含氣體。湍流盤中存在著強烈的恒星形成，最終形成了厚厚的恒星盤。隨著這些初始星系盤的發育，它們逐漸穩定下來，湍流也隨之減弱。一旦星系盤恢復平靜，一個由更古老、更低金屬豐度恒星組成的新星系盤就會在由更古老、更低金屬豐度恒星組成的星系盤內部形成，新星系盤由更年輕、更高金屬豐度的恒星組成。

研究小組還發現，質量最大的盤狀星系將氣體轉化為恒星的效率更高，而且它們形成薄盤的速度比質量較小的星系更快。“在大質量星系中，從單盤到雙盤的轉變發生在大約80億年前，比在低質量星系中大約40億年前的轉變略早，”他們解釋道。

觀測和分析還表明，兩個盤狀結構成分的形成并非連續的。相反，這兩個過程是重疊的。“盡管本研究揭示了由厚盤到薄盤的形成過程，但其主要順序性表明了兩個盤狀結構共同演化，厚盤隨著星系的增長而不斷增長（盡管其增長效率低于薄盤）。

這張圖展示了兩個星系盤如何同時形成和演化，而非嚴格按順序進行。圖中繪制了兩個星系盤分解后的薄盤和厚盤質量與它們的總恒星質量的關系圖。

藍色三角形代表薄盤測量值，紅色方塊代表厚盤測量值，本研究涵蓋了紅移范圍0.1-2。為了進行比較，藍點和紅點分別代表紅移z=0時的薄盤和厚盤測量值。

雖然這些觀測主要關注遙遠而古老的星系，但它們也揭示了一些關于我們自身星系演化過程的信息。“詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的圖像為我們提供了一個觀察類似銀河系早期狀態的星系的窗口，為我們提供了關于遙遠星系的寶貴見解，