[비즈한국] 在动画《天元突破红莲螺岩》中，出现过令人震撼的一幕。超越银河系，甚至能与整个宇宙相媲美的巨大机器人展开决斗，并将银河系像手里剑一样掷出。在那个场景中，银河系被描绘成薄如纸片的圆盘，甚至还能像利刃一样切入另一个银河系。作为一名研究银河系的天文学家，这一幕简直令人倍感冲击。
银河系难道像唱片一样薄吗？然而，观察最近詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）拍摄的银河系图像，或许动画里的描绘并非完全离谱。天文学家从韦布观测到的银河系中挑选出了111个拥有超薄圆盘的星系。由于这些星系从地球视角看是侧向（edge-on）的，因此它们呈现出侧面细长的形状，而不是圆润盘旋的旋臂。这就像我们在银河系内观察银河的侧面截面一样，我们观测到了远在数亿乃至数十亿光年之外的星系所拥有的“银河”。
然而，这些薄圆盘星系呈现出惊人的趋势。在遥远星系中原本看不见的结构，越是靠近近处的宇宙，呈现出的形态越是新颖。这一发现为包括银河系在内的、拥有薄圆盘星系的诞生提供了惊人的线索。
事实上，银河系的圆盘不止一个。薄圆盘（Thin Disk）与厚圆盘（Thick Disk）共存。构成银河系中心部分的薄圆盘厚度约为1000光年。它主要由像太阳这样相对近期诞生的年轻恒星组成，重元素（如氧、碳）的含量较高。厚圆盘的厚度可达3000光年，主要是很久以前诞生的年老恒星。因此，其金属含量要低得多，这是因为恒星爆炸后留下的重元素较少。
一提到圆盘星系，人们往往只想到薄圆盘，但宇宙中超过三分之二的星系圆盘同时也拥有厚圆盘。特别是根据银河系圆盘的厚度和规模，构成各圆盘的恒星世代和元素含量截然不同，因此厚圆盘和薄圆盘如何共存、各自如何形成、以及为何能如此泾渭分明，是银河系形成过程研究领域中非常重要的问题。
关于厚圆盘和薄圆盘各自如何形成，此前主要有两种假说。第一种假说是厚圆盘先形成，随后才形成薄圆盘。在极其遥远的古代，大型与小型矮星系混合搅拌的过程中，气体物质被迅速加速并加热，因此初期的星系圆盘呈厚阔状。随着时间的推移，在厚圆盘内开始陆续诞生新的恒星。随着恒星数量增加，得益于新诞生的恒星圆盘的引力，原本上下扩散的厚圆盘逐渐平静并聚集，星系圆盘的厚度变薄。这一假说认为，经过很长一段时间后，厚圆盘内部就会形成薄圆盘。
第二种假说是相反的。即薄圆盘先形成，后来才形成厚圆盘。假设最初恒星是在薄圆盘中诞生的。随着时间流逝，星系经历与周围邻近星系的相互作用，产生旋臂和棒状结构等各种动力学变化，使得原本平铺在圆盘上的恒星和气体物质逐渐向圆盘上下扩散，从而形成了厚圆盘。
有趣的是，针对同一个厚圆盘与薄圆盘共存的星系，这两种假说给出了截然相反的解释。直到最近，两者中哪一个正确仍无定论。然而不久前，詹姆斯·韦布的观测结果让哪一个更接近正确答案变得明朗了。
天文学家从韦布拍摄的宇宙照片中筛选出了111个呈侧向（edge-on）、能清晰看到银河圆盘的星系。此次观测最远追溯到100亿年前的过去宇宙。最遥远的星系保留了宇宙诞生后仅38亿年时的样貌。天文学家将各个星系的圆盘从侧面观察到的形态进行分类，分为仅拥有厚圆盘的情况，以及同时拥有厚圆盘和薄圆盘的情况。结果，一种惊人的趋势显现出来。
在遥远宇宙的星系中，看不到薄圆盘，它们大多只有模糊扩散的厚圆盘。反之，越靠近近期宇宙，星系开始显现出薄圆盘。这种明确的相关性支撑了这样一种假说：遥远的过去星系刚形成时只有厚圆盘，随着时间推移，星系逐渐形成新的薄圆盘，从而拥有双重圆盘。换言之，在解释厚圆盘与薄圆盘形成过程的两种假说中，“先有厚圆盘，后有薄圆盘”的假说是正确的。
通过对比星系总恒星质量与各星系中圆盘所占质量的图表可以更清楚地看出这一点。图中橙色点显示厚圆盘的生长过程，天蓝色点显示薄圆盘的生长过程。所有圆盘都表现出随着星系变重而共同生长的趋势，尤其是与橙色线相比，天蓝色线的上升斜率更陡。这表明，与先形成的厚圆盘相比，后来形成的薄圆盘生长速度更快。
此外，根据星系质量的不同，也呈现出有趣的差异。质量越大的星系，越早开始形成薄圆盘。对比仅拥有厚圆盘的星系开始同时具备薄圆盘的时间点，质量较大的星系在80亿年前就开始转向双重圆盘，而较轻的星系直到40亿年前才开始转变。这意味着轻质量星系比重质量星系晚了30亿至40亿年才开始具备薄圆盘。
这表明这两个圆盘并非各自独立形成的结构，而是共同共存、一起生长的结构。并不是简单地在厚圆盘完全建好后才单独形成薄圆盘，而是除了正式诞生时间有差异外，厚圆盘和薄圆盘两者都在共存并共同生长，呈现出“协同进化”的状态。即使在薄圆盘开始形成后，厚圆盘也不会停止生长，随着星系整体质量的增加，它会继续向更厚、更重的方向生长。
为了更深入分析这一发现，天文学家随后又利用阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）射电望远镜对这些星系进行了追加分析。研究团队分析了各星系圆盘内部气体物质的波动速度，并对比了各星系圆盘中重元素含量的差异。实际上，在初期宇宙中拥有厚圆盘的星系里，气体物质的波动确实更快。这表明初期宇宙厚圆盘中的气体物质湍流尚未平息。
在初期宇宙中，星系圆盘还充满了快速混合的气体粒子。圆盘内部充满气体湍流，并被快速移动的粒子填满，因此温度很高。所以，初期的星系圆盘是厚实的。在充满湍流的厚圆盘中诞生了第一代恒星，随着初期圆盘的发育，圆盘的湍流逐渐减弱。随着圆盘变得静谧，更年轻的恒星迟迟诞生，它们留下的重金属元素填满了薄圆盘。相反，从很久以前就留存下来的、金属含量低的年老恒星则继续构成厚圆盘。根据此次分析，银河系的薄圆盘似乎形成于距今约80亿年前。有趣的是，这一数值与通过银河系薄圆盘内恒星光谱推测出的化学年龄非常吻合。
在以星系为单位观察整个宇宙进化的星系天文学中，“银河系是否是一个独特的世界”这一问题至关重要。如果银河系像其他星系一样，是通过极其普通的进化过程形成的，那么我们所看到的宇宙景象就能很好地代表整个宇宙。相反，如果我们经历了与其他星系不同的独特历史，那么我们所观测到的周边宇宙景象就很难代表整个宇宙的平均特征。
遗憾的是，我们一生被禁锢在银河系内，甚至连银河系的真实面貌都无法亲眼确认，这种可能性很高。除非我们能成为随意穿梭于银河系之外、整个宇宙的物种，否则我们所处的周边宇宙景象是否能很好地代表整个宇宙的平均状态，是左右现代宇宙学和天文学根基的一个非常重要且敏感的问题。幸运的是，此次发现表明银河系经历了与宇宙中无数圆盘星系相似的诞生历史。宇宙中无数星系都怀揣着银河，中心流淌着纤细清晰的溪流，两侧流淌着更广阔的厚重江河。而我们，也是其中之一。
参考
https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-digs-into-structural-origins-of-disk-galaxies/
https://academic.oup.com/mnras/article/540/4/3493/8169912?login=false
作者池雄培（Ji Ung-bae）是谁？他热爱猫与宇宙。小时候看了《银河铁道999》后，立下了向世人传达宇宙之美的梦想。目前在延世大学银河进化研究中心及近宇宙论实验室研究通过星系相互作用的进化，并进行演讲和写作等各类科学传播活动。著有《暧昧中的天文台》、《整天想宇宙》、《星，光之科学》等书籍。