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銀河系應是由內向外形成

 

 

銀河 photo credit: slworking2@ flickr

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天文學家Maria Bergemann等人利用蓋亞-ESO計畫(Gaia-ESO project)觀測資料,發現一個原本只存在於理論上的銀河系演化證據—銀河盤面上恆星化學組成有分異現象。藉由追蹤某些快速形成的元素,特別是鎂元素,這些天文學家可以定出銀河系各個部分的形成速度有多快。結果顯示銀河盤面的內部區域先形成,之後才逐漸形成外圍區域,符合認為銀河系應是由內向外而形成的理論預測。

利用在太空中的蓋亞衛星(Gaia)和歐南天文台(ESO)位在智利的8米超大望遠鏡(VLT),天文學家仔細研究銀河盤面上各種年齡和各種分佈位置的恆星,以便確認它們的金屬豐度(metallicity),也就是含有氫與氦以外其他重元素的比例。

宇宙經大霹靂產生的最初的元素主要是氫和氦,稱之為「輕元素」,其他氫與氦以外的元素統稱為「金屬元素」或「重元素」,是經由恆星內部核融合反應或是超新星爆炸等過程慢慢累積起來的。愈老的恆星代表它們是在愈久遠之前的宇宙時期形成的,因此愈老的恆星所含有的重元素愈少,以天文術語來說,就是金屬豐度比較低。140120090649-large

不同的恆星,製造元素的速率不同;例如在壽命短、很年輕就步入死亡之境的大質量恆星,和壽命可長達數十億年的類太陽恆星相較之下,便會擁有不同的化學組成。大質量恆星演化的比較快,在很年輕時就進入死亡階段;而在短暫壽命結束後,因重力塌縮而引發超新星爆炸時,會製造出大量鎂元素,會形成中子星或黑洞,甚至會促發新一代的恆星誕生。

從觀測資料,Bergemann等人發現位在太陽圈(Solar Circle,暫譯)以內、年齡較大的貧金屬星(metal-poor star)比較可能擁有較高的鎂豐度,這顯示太陽圈以內的這個區域擁有比較多演化的比較快、在很年輕時就死亡的恆星。所謂的太陽圈,是指太陽繞行銀河中心的公轉軌道,太陽約每2億5000萬年繞銀河中心公轉一周。反之,在太陽圈以外的銀盤外圍區域,主要是比較年輕的恆星,貧金屬和富金屬恆星皆有,但它們的鎂豐度相較於它們的總金屬豐度而言非常低。

這項發現有個重要的意義,因為這意味著銀河盤面不同部分的恆星演化有差異,太陽圈以內的恆星形成比較有效率,所耗時間較短,反之在太陽軌道以外之處,恆星得花比較久的時間才能形成,也就是說:銀盤外側區域所需形成時間比銀盤內側多,所以形成年代比銀盤內側晚。這個觀點與冷暗物質宇宙論(Cold Dark Matter cosmology)的星系形成與演化理論模型相符。

除了銀盤內外形成時間有早晚之差外,這項新研究還顯示關於銀河系盤面是否有薄銀盤(thin disc)和厚銀盤(thick disc)雙結構爭議的新線索。薄銀盤主要是旋臂、年輕恆星、巨型分子雲(giant molecular cloud)等較年輕的天體所在之處。天文學家長久以來一直推測銀河系應該有另一個銀盤,厚度比較厚,但比較短且比較老;這個厚銀盤應該擁有許多金屬豐度低的老恆星。

Bergemann等人的研究中發現:年輕薄銀盤裡年齡在0~80億歲之間的恆星,金屬豐度幾乎相同,且大多屬於富金屬星。而厚銀盤中典型的恆星是老恆星,但90億歲是個金屬豐度的大斷層,在90億歲以上的老恆星完全沒有富金屬星存在,全都是貧金屬星。不過,無論薄銀盤還是厚銀盤,都有各種年齡和金屬豐度的恆星分佈其中,並沒有完全分離。

這些天文學家認為:根據現有證據,銀河系顯然並非一個「二選一」的系統。在任何地方都可以發現不同年齡、不同金屬元素的恆星,厚銀盤和薄銀盤之間並無鮮明的分界之處。不同特性的恆星所佔的比例,在兩個銀盤中並不相同,這讓我們可以得知存有兩個銀盤,但這兩個銀盤可能有著迥異的起源。這項研究讓天文學家確定銀河系內側的厚銀盤形成的速度比薄銀盤快,因而在太陽鄰近區域的恆星,大都是以這類厚銀盤星為主。

厚銀盤的概念由Gaia-ESO計畫首席研究員Gerry Gilmore在約30年前提出的;理論上,厚銀盤可經由多種途徑形成,例如大量重力不穩定到銀河系形成期發生吞噬衛星星系的事件等,都是可能的原因之一。我們的銀河系在形成過程中曾吞噬過許多小型星系;現在經由Gaia-ESO巡天計畫,天文學家可以掌握到更佳的銀河系恆星的年齡-金屬豐度關聯性,以及銀河盤面的結構,藉此可仔細的追蹤研究這些吞併事件,就像是醫學解剖以追蹤病源的方式一樣。相信在數十年後,將開創一番新視野。

資料來源:Milky Way may have formed ‘inside-out:’ Gaia provides new insight into galactic evolution. [ScienceDaily , January 20, 2014]

本文轉載自網路天文館

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