銀河系的形成和演化
赫歇爾的工作具有重大歷史意義，它證實了作為一個恆星系統的銀河系的客觀存在，使人類的視野從太陽系範圍大大地拓展了.這是繼哥白尼建立日心說之後，天文學發展史上的又一個重要里程碑，赫歇爾因此被後人譽為恆星天文學之父.在赫歇爾的模型中，太陽仍然位於那時所認識的宇宙範圍——銀河系的中心.基於赫歇爾當時在天文界中有著很高的聲望，這一不正確的概念維持了130餘年. 1830年代發明了照相術，荷蘭天文學家卡普坦（Kapteyn J）首先意識到這可以為天文學家提供一種全新的觀測手段，他正確地認定，藉助照相方法重做恆星計數工作，可望得出比赫歇爾更好的結果.經過不懈的努力，卡普坦於1922年發表了他的銀河系模型：銀河系主體具有盤狀結構，直徑5.5萬光年，厚1.1萬光年，包含了474億顆恆星；太陽位於靠近盤中心的位置上，離中心約為2000—2300光年，世人稱為「卡普坦宇宙」.遺憾的是，儘管卡普坦曾正確認識到「太陽到系統的中心必定有相當大的距離」，但他最終還是放棄了. 正確判定太陽在銀河系中位置的工作是由美國天文學家沙普利（Shapley H）完成的.1918年，沙普利研究了69個球狀星團的空間分布，發現有90%位於銀河系中心方向一側，並根據球狀星團分布這種「一邊倒」的觀測現象，正確推斷太陽並不居於銀河系中心，而是處在比較靠近銀河系邊緣的位置上，這一結論為深入研究銀河繫結構奠定了基礎.在沙普利的模型中，太陽位於距銀河系中心約5萬光年處，而全部球狀星團涉及的空間範圍約為30萬光年，這個數字實際上是偏大了.這時，距赫歇爾提出的第一個銀河系模型已過去了130餘年. 根據近代天文觀測和研究可知［1,2］，銀河系是一個旋渦星系，年齡估計在100億年以上，總體結構大體可分為4部分(見圖2—圖4)，即銀盤、核球、銀暈和暗暈.銀河系總質量（指不計暗暈部分，下同）約為1.4×1011太陽質量，其中以恆星形式出現的約佔90%，由氣體和塵埃組成的星際介質佔10%左右.
銀盤是銀河系中恆星和星際介質分布的主體，集中了銀河系質量的85%—90%.銀盤呈軸對稱和平面對稱的扁平圓盤狀，直徑8.2萬光年.太陽到銀河系中心的距離（銀心距）約為2.6萬光年，離銀盤對稱平面（銀道面）僅為20—30光年.銀盤中心厚，邊緣薄，太陽附近銀盤厚度約3,300光年. 核球是位於銀河系中心部分的恆星密集區，大致呈扁旋轉橢球體狀，長軸約1.3—1.6萬光年，厚1.3萬光年左右.核球質量約佔銀河系質量的5%，主要成分是老年天體，且越接近核心區，恆星密度越高.銀河系中心附近有一個至少含5個子源的強射電源人馬A，明亮的銀核即位於其中的1個子源內，直徑接近5光年，質量約是太陽質量的幾百萬倍.一種流行的觀點認為，在銀核位置上有一個超大質量黑洞，不過目前它並沒有處於劇烈活動期.
包圍著銀盤的是一個物質平均密度比銀盤低得多的區域，稱為銀暈，大體上呈球狀，直徑約10萬光年.銀暈涉及的範圍比銀盤大得多，但因物質分布非常稀疏，故質量大約只及銀盤的10%.銀暈中主要有兩類天體，即老年恆星和球狀星團，此外還有極少量的氣體. 銀暈外有一個範圍更大的物質分布區，這就是暗暈，其成分是暗物質，尺度可能是銀暈的10倍，質量可能高達銀河系其他部分質量總和的10倍.暗暈的存在是根據觀測資料間接推定的：如果銀河系物質主要集中在銀盤和銀核，則離中心越遠處，恆星繞銀心的轉動速度越慢，而實測結果卻大相徑庭——在太陽附近以及更遠的地方，恆星轉動的速度大致保持不變，甚至還略有增加.由此推斷在銀河系外圍必定存在大量性質尚不很清楚的不發光暗物質，它們構成了暗暈. 2 兩種可能的演化途徑 在沙普利之後的幾十年時間內，隨著天文觀測研究工作的深入，特別是射電天文手段的面世，人們對銀河繫結構取得了較為全面的認識，開始探究銀河系的運動學和動力學狀態，並進而探討銀河系的形成和演化機制. 銀河系天體的運動狀態取決於銀河系引力場，也就是取決於銀河系的物質分布狀況.恆星在銀河系內的運動形式既不像太陽系中行星的開普勒運動，也不是角速度處處相同的剛體自轉，而是所謂「較差自轉」，即不同銀心距的恆星有不同的轉動角速度.這一概念首先是由瑞典天文學家林德伯拉德（Lindblad B）於1925年提出的，兩年後經荷蘭天文學家奧爾特（Oort J H）的工作而得以完善.在上述工作基礎上，奧爾特於1932年建立了第一個近代銀河系模型，並開創了用動力學方法解釋恆星運動學狀態的研究途徑，稱為奧爾特-林德伯拉德理論［3］. 1944年，當時正在美國工作的德國天文學家巴德（Badde W）明確提出星族的概念，即根據銀河系物質的物理化學性質、空間分布和運動特徵，把銀河系天體區分為星族I和星族II兩類.星族I天體的年齡較輕，大致分布在以銀心為中心的一個扁圓環狀範圍內，它們繞銀心的運動速度較大，但速度彌散度較小；星族II天體年齡比較老，分布在一個以銀心為中心的略扁的球形天區內，這類天體繞銀心的運動速度較小，但速度彌散度卻比較大.銀盤中天體以星族I為主，核球和銀暈內主要是星族II天體. 目前所觀測到的銀河系的物理、化學、分布、運動學特徵以及星族的客觀存在，是100多億年前銀河系形成以及嗣後長期演化的結果.為了探究這一漫長過程中所發生的真實情況，首先必須建立合理的銀河系理論模型，並對觀測事實做出有效的解釋.迄今已提出的這類模型可謂名目繁多，大體上可以根據模型試圖解釋的主要觀測事實，分為質量模型、恆星計數模型、運動學模型、動力學模型以及化學演化模型等幾大類.如質量模型是要對銀河系及其各個成分的密度分布做出說明，使模型預期值與一些觀測量（如太陽附近的總面密度等）相一致；恆星計數模型應該對銀河系不同位置處恆星絕對星等的分布給出合理解釋；運動學模型涉及恆星的空間運動，不僅要求能說明恆星數密度與絕對星等之間關係，而且要對不同位置上的恆星速度分布做出預言；而化學演化模型則要通過研究物質化學成分的歷史演變蹤跡，來探索銀河系形成和演化的線索.銀河系是如何形成的，這個問題在現代天體物理研究中有著重要的地位.合理的銀河系形成機制，應能對銀河系的結構及各種成分（包括星族、星團等）的觀測性質做出恰當的解釋.不僅如此，有關的主要結論還應在河外星系，特別是在與銀河系有同類形態的旋渦星繫上得到印證.
天文學家把物質中某類元素含量所佔的比例稱為該類元素的丰度.宇宙中含量最豐富的元素是氫，約佔物質總量的71%；其次是氦，約佔27%；其他元素統稱為「重元素」或「金屬元素」，而全部重元素總的丰度僅在2%左右.氫是宇宙早期即已存在的原初元素，大部分氦生成於大爆炸發生後的3分鐘內，因而在原初星際介質和由此生成的第一代恆星中，金屬元素丰度極低.另一方面，幾乎所有的重元素都是在恆星演化過程中經內部核反應合成的，稱為核合成，並通過超新星爆發以及星風等途徑送入星際介質. 銀河系的化學演化必然與恆星演化密切相關.恆星演化的進程取決於恆星質量，質量越大演化得越快.大質量恆星的演化很快，最快的僅需經過幾百萬年時間，便以超新星爆發而終其一生.由於銀河系年齡超過100億年，歷時幾百萬年甚至更長的一些過程，相對銀河系的一生來說實際上是很短的.這類短時標事件在銀河系的整個演化史中會不斷出現，其結果是注入星際介質中的重元素不斷增多.因此，星際介質以及由星際介質坍縮形成的恆星內的重元素丰度，必然隨宇宙年齡的增大而增大，這一過程稱為「元素增豐」.顯然，在目前存在的恆星中，金屬丰度越低年齡越老，它們必定是一些長壽命的小質量恆星，因為大質量恆星早已壽終正寢了；近期誕生的恆星金屬丰度就高，它們質量可以有大有小. 1962年，三位美國天文學家艾根（Eggen O J）、林登貝爾（Linden-Bell D）和桑德奇（Sandage A）提出了一種銀河系形成的圖像，後人稱為ELS理論［4］.這種理論認為，銀河系形成於一個大致呈球形的巨大原星系雲.這個雲最初的金屬丰度很低，並因引力作用而處於自由下落狀態，稱為引力坍縮.在坍縮過程中，雲的自轉速度不斷增大，以保持角動量守恆，大部分重元素丰度很低的所謂「貧金屬星」和球狀星團就是在這一過程中形成的，而目前觀測到的這類老年星族II天體具有很扁的運動軌道，便是原星系雲自由坍縮的直接結果.又因為坍縮過程進行得很快，期間形成的球狀星團便有大致相同的年齡.當雲的半徑收縮到原星系雲半徑的十分之一左右時，由於超新星爆發不斷出現，雲變成富金屬態，並逐漸變為扁平狀，形成一個由離心力支撐的盤結構.這時銀盤及盤族恆星開始形成，並保持這種狀態直到今天，盤內恆星較為年輕，金屬丰度則比較高.ELS理論可以較好地說明許多重要觀測事實，如銀河系的總體結構、不同星族恆星的年齡、金屬丰度和運動狀態等. 觀測結果表明，老年球狀星團的金屬丰度各不相同，且差異較為顯著，這一事實給ELS的快坍縮模型帶來了如下困難：既然坍縮過程進行得很快，期間元素增豐的效果就不會很明顯，不同球狀星團的金屬丰度應該相差不大.為了解決這一矛盾，1977年西爾勒（Searle L）等提出了另一種不同的銀河系形成模型［5］.這種模型的基本觀點是，銀河系由幾十個較小的星系雲併合而成，而不是生成於單一的巨原星系雲.這些小雲塊的質量約為108太陽質量，它們各自演化成較小的系統，並相互碰撞、併合，在一種緩慢的坍縮過程中，最終形成銀河系.由於在同一時間段內不同小星系內部的增丰情況各不相同，從而較好地解釋了球狀星團在金屬丰度上的差異.西爾勒模型稱為慢坍縮模型，以區別於ELS的快坍縮模型.後來的一些數值模擬工作表明，小星系確實會通過相互併合形成更大的系統，從而支持了西爾勒模型.不過，銀河系純粹由大量小星系併合而成的機制很難解釋銀盤的形成，為做到這一點，必須對併合的具體方式加以嚴格的限定，如小星系在併合過程中應取適當的運動路徑等，而這顯然很不現實.還有，儘管對銀河系核球的起源仍很不明晰，但是構成核球的物質很可能是以氣體，而不是以恆星的形式併入銀河系，對這一點的解釋ELS模型顯得更為自然. 近年來的不少觀測研究表明，宇宙中星系的併合和吸積現象確實存在，如銀河系曾經吸積了一些球狀星團和暈族恆星.又如，離銀河系最近的河外星系——大麥哲倫星雲，正在不斷地朝著銀河系旋進，預期最終可能會被銀河系吞併，屆時大麥哲倫星雲中的球狀星團便自然成為銀河系的成員.看來，銀河系的形成和演化機制應該是比較複雜的，很可能既取決於銀河系的內部過程——坍縮，又涉及外部因素——吸積和併合. 3 厚盤發現帶來的問題 除了尚不十分明確的暗暈部分外，銀河系物質主要以恆星形式出現，並集中分布在銀盤中.在銀道面附近，恆星數密度（單位體積內的恆星個數）最高，隨著恆星到銀道面距離（銀面距）的增大，恆星數密度逐漸降低.通常認為，恆星數密度ν隨銀面距z的變化規律，即函數ν(z)大體上具有指數分布形式：ν(z)=ν0e-z/h，其中的e=2.7182…為自然對數底，ν0是銀道面上（即z=0處）的恆星數密度，而h稱為標高.標高的物理含意是，銀面距每增大h秒差距，恆星的數密度便減小到1/e倍.如何利用實測資料確定函數中ν0和h的具體數值，是研究銀河系恆星分布的重要內容之一.自赫歇爾以來的近200年內，天文界一直認為銀盤中恆星在垂直銀道面方向上只具有單一的指數分布結構. 1983年，英國天文學家吉爾莫（Gilmore N）和萊德（Reid G）經過對12,500顆恆星的觀測資料進行詳細分析後首次明確提出［6］，銀盤中的恆星並不僅有單一的成分，而是可以分屬於兩種形態不同的結構，或者說恆星在垂直銀道面方向上的分布需要用2個不同的指數成分——薄盤和厚盤來表述(見圖5).在銀面距z≤1000pc(秒差距)的範圍內，恆星可以用一個指數分布來描述，標高約為300 pc, 這就是薄盤，也就是原來意義上的銀盤.在銀面距z=1000—5000pc範圍內的恆星主要屬於第二個指數成分，標高約為1450pc, 稱為厚盤.不過，構成薄盤和厚盤的恆星在空間分布上是互相套疊在一起，其間並沒有任何使之一分為二的邊界，這正是厚盤結構在20多年前才被確認的主要原因之一.具體來說，在銀道面附近，主要是薄盤恆星，屬於厚盤的恆星甚少，如在太陽附近厚盤恆星約只佔恆星總數的2%.由於薄盤恆星分布的標高只及厚盤標高的五分之一，隨著銀面距的增大，薄盤恆星的數密度相對厚盤恆星迅速減小，在遠離銀道面的地方,厚盤恆星便很快佔據上風.
恆星分布ν(z)不能用單一指數律來表述,這可以有兩種物理解釋：即銀河系只有單一盤，而ν(z)為非指數分布；或者，同時存在薄盤和厚盤，且兩個盤均表現為指數分布.但是，沒有任何理由認定ν(z)必然具有指數形式，並對實測結果用存在兩個盤來加以解釋，除非能證明組成兩個盤的恆星具有明顯不同的內稟性質（比如年齡或金屬丰度等）. 後來的一些研究表明，屬於薄盤和厚盤的恆星，確實在物理和運動學性質上有著明顯的差異.厚盤恆星的年齡不小於80億年，絕大部分大於100億年，而薄盤恆星的年齡則普遍小於80億年.在化學組成上，厚盤恆星的金屬丰度比較低，而薄盤恆星的金屬丰度比較高.在運動學狀態方面，與厚盤相比，薄盤恆星繞銀心的轉動速度比較大，但不同恆星之間的速度彌散度比較小，顯得較為「步調一致」.目前，厚盤的存在已經為人們所普遍接受，並進行了深入的研究［7］，這樣一來原來關於銀河繫結構的3成分（核球+銀盤+銀暈）模型，應代之以四成分（核球+薄盤+厚盤+銀暈）模型.在更為細緻的研究中，薄盤恆星更進一步區分為年輕薄盤和老年薄盤兩種成分.其中老年薄盤就是原來意義上的薄盤，而年輕薄盤恆星的空間分布更要「薄」一些，標高僅為100pc.在太陽附近，屬於年輕薄盤的僅占薄盤恆星的20%左右.另一方面，銀河系中的星際氣體塵埃物質主要集聚在銀道面附近，它們的空間分布也呈現盤狀結構，這就是氣體盤.由此可見，銀河系物質的盤狀結構頗為複雜. 厚盤結構並非只見之於銀河系，在其他一些旋渦星系中也已發現了存在厚盤的觀測證據，這說明至少對部分星系來說，厚盤很可能是較為普遍存在的一種結構成分，它們的形成和內稟性質必然與星系演化過程密切相關. 自厚盤發現以來，人們提出了若干種不同的厚盤形成機制，以解釋厚盤和厚盤恆星的各種觀測性質，如薄盤和厚盤依次形成的坍縮機制，銀河系與伴星系交會或併合使銀盤增厚，早期銀盤對物質的直接吸積，以及薄盤天體的運動學擴散等.這些機制可分為「先厚後薄」和「先薄後厚」兩大類，其中坍縮理論屬於「先厚後薄」機制，其餘幾種則都可歸於「先薄後厚」機制.鑒於問題的複雜性，以及新觀測資料的不斷湧現，天文學家的認識還沒有取得完全一致.往往是一種機制能說明某些觀測特徵，但卻不能解釋另一些觀測特徵. 坍縮機制認為，厚盤和薄盤是銀河系在演化過程中相繼形成的兩種結構.先是通過坍縮形成厚盤，剩餘氣體因進一步內落而形成薄盤.初始坍縮可以是一種快坍縮，也可能是一種受壓力支撐的慢過程.快坍縮機制的理論基礎是ELS模型，厚盤形成經歷的時間大約只有4億年，薄盤在這之後形成，歷時6億年.慢坍縮機制認為，由於氣態物質的壓力支撐作用，引力坍縮表現為一種慢過程，在形成銀河系的幾十億年時間內，厚盤先形成，然後再生成薄盤.慢坍縮和快坍縮的觀測表現應該是不同的：前者有足夠時間在厚盤中形成垂直銀道面方向上的金屬丰度梯度，而後者則沒有足夠長的時間來建立這種梯度，但目前的觀測資料還不能對此做出明斷. 隨著星系併合現象(見圖6)的普遍發現，一種比較流行的觀點認為，因銀河系與某個較小質量伴星系的併合，早期形成的薄盤恆星由於受到劇烈的運動學加熱、擴散而形成厚盤.這裡又可以有兩種不同的加熱途徑：一種是需要銀河系與伴星系發生實際上的併合，另一種則強調並不一定要求伴星系直接落入銀盤中，伴星系與銀河系的密近交會同樣能形成厚盤.有人通過數值模擬發現［8］，如對伴星系設定某個質量範圍，並與銀河系薄盤以一定的傾角併合，結果是銀盤恆星會形成兩個服從指數律的數密度分布，其中外部成分就是厚盤.
與劇烈併合機制不同，物質的直接吸積是一種慢過程，而厚盤的形成便是緩慢吸積過程的產物.這種機制認為，銀河系本身就是由許多比較小的成分通過某種隨機方式形成的，早期形成的薄恆星盤會通過不斷吸積小的伴星系，使薄盤因受到運動學加熱而生成厚盤.不過有人認為，如果把相當於盤質量10%—30%的伴星系放在距盤中心10倍盤半徑的地方，它們就會因主星系（銀河系）的潮汐作用而瓦解，因而對盤增厚的作用很小.吸積機制的理論基礎是西爾勒等人的觀點［9］. 在1950年代初就已發現，恆星運動的速度彌散度隨著恆星年齡的增長而變大.進一步的工作表明，這一觀測事實可以解釋為盤內恆星通過擴散機制不斷受到運動學加熱的結果［10］.薄盤中恆星經過長時間的運動學擴散而到達高能軌道，並由此形成厚盤的觀點就是在上述工作的基礎上提出來的.所謂運動學擴散，是指原來在銀道面附近作近圓軌道運動的恆星，由於某種原因變為在與銀道面斜交的橢圓軌道上運動.這類原因可能有：銀河系旋渦結構對恆星運動軌道的擾動；分子雲對恆星運動的散射作用；大質量暈天體在運動過程中穿越銀盤時對盤天體運動的影響等. 在上述各種厚盤形成機制中，比較多為人們所接受的是「先薄後厚」的併合機制，以及可能還有「先厚後薄」的快坍縮機制.其他「先薄後厚」的形成機制因與一些重要實測結果不符而受到較多的質疑，慢坍縮機制則基本上已不為人們所關注.應當說，涉及厚盤以及星系形成和演化的一些重要問題還沒有完全弄清楚.比如，不同星系中的厚盤是否會有不同的形成機制？一種以上的機制是否會在不同的程度上同時對厚盤的形成發揮作用？等等. 4 結束語 銀河系形成和演化所涉及的內容非常廣泛，非本文所能逐一評述.隨著許多大型設備投入有關的觀測工作，以及包括整個電磁波譜的多波段天文觀測的開展，天文學家取得了海量觀測數據，這對深入研究銀河系、星系的形成和演化提供了極為寶貴的資料，也提出了更多的實測結果需要由理論來加以解釋［11—14］.在星系天文學中，銀河系顯然具有不可替代的重要地位.就單個星系而言，有關銀河系的觀測資料最為豐富，由銀河系得出的結論還可以為探索河外星系的奧秘提供觀測約束，這正是人們重視銀河系研究的主要原因之一. 那麼，未來銀河系又會向何處去？ 銀河系在宇宙中並不是孤立的，它與鄰近的幾十個形態不同的星系構成了一個不太大的星系集團，稱為本星系群，空間範圍約為650萬光年，銀河系和仙女星系是本星系群中最大的兩個星系. 離銀河系最近的有兩個質量較小的星系，即大、小麥哲倫雲，它們繞銀河系轉動，且有氣體從中逸出，形成長條形的物質流，這是由於銀河系的引力作用而從麥哲倫雲中拖曳出來的.即使麥哲倫雲能長期穩定而不被銀河系所吞併，那麼也許總有一天其中的物質會流入銀河系，並對銀河系的結構和演化產生影響.不過，因為大、小麥哲倫雲的總質量只有銀河系質量的1/20左右，這種影響不大可能使銀河系的總體結構和演化進程發生重大的變化.
銀河系一方面繞著本星系群的質心緩慢轉動，另一方面又以每秒約200km的速度朝著麒麟座方向運動，並與仙女星系不斷靠近.有人估計經過幾十億年或更長的時間後，這兩個目前相距240萬光年的巨星系最終會發生碰撞甚至併合(見圖7).如果這一事件真的發生，鑒於仙女星系的質量約為銀河系的2倍，屆時銀河系（以及仙女星系）的結構、內部運動以至演化過程都會發生重大變化.當然，併合過程是十分漫長的，但具體結果究竟怎樣，如兩者是否會合二為一，並生成活動星系核，同時產生各種形式的劇烈活動，最終是否會形成一個巨橢圓星系，太陽在銀河系中的運動軌道會發生多大改變，甚至會不會影響到地球繞太陽的運動軌道以及人類後代的生存，等等，這些後果今天當然是很難預測的. 參考文獻 ［1］ Binney J，Merrifield M. Galactic Astronomy. Princeton, New Jersey: Princeton University Press, 1998. 606 ［2］ Croswell K著. 黃磷譯. 銀河系. 海口：海南出版社、三環出版社出版，1999［Croswell K.trans Huang L. The Alchemy of the Heavens. Haikou: Hainan press, Sanhuan Press, 1999(in Chinese)］ ［3］ Oort J H. Bull. Astron. Inst. Netherlands, 1932, 6:349 ［4］ Eggen O J, Lynden|Bell D, Sandage A. Astrophys. J. 1962, 136:748 ［5］ Searle L. In The Evolution of Galaxies and Stellar Populations. Eds. Tinsley B M, Larson R B. The formation of the Galaxy. New Haven: Yale University. Press, 1977.219 ［6］ Gilmore G, Reid I N. Mon.Not. R.Astron.Soc., 1983, 202:1025 ［7］ Bensby T, Feltzing S, Lundstron I. Astron. Astrophys., 2003, 410:527 ［8］ Quinn P J, Hernquist L, Fullager D P. Astrophys. J. 1993,403:74 ［9］ Searle L, Zinn R. Astron.Astrophys., 1978,225:357 ［10］ Wielen R. Astron. Astrophys., 1977,60:263 ［11］ Hammer F, Puech M, Chemin L et al. Astrophys. J. 2007,662:322 ［12］ Ballero S K, Matteucci F, Origlia L et al. Astron. Astrophys., 2007,467:123 ［14］ Cescutti G, Matteucci F, Franois P et al. Astron. Astrophys., 2007,462:943 ［15］ Scannapieco E, Kawata D, Brook C B et al. Astrophys. J. 2006,653:285
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