銀河系盤面生來厚實，花了30億年才變得扁平

銀河系並非一開始就是我們今日所見的薄而平坦盤面。太陽周邊恆星的精確年齡顯示，這個星系最早的盤面是一層厚實、翻騰的氣體與年輕恆星，且它起初迅速變薄，之後速度放緩至近乎停滯，而這一過程至今仍在持續。

這回答了天文學家爭論四十年的問題：銀河系厚盤中的老恆星，究竟是誕生於盤面上方的高處，還是原本在平坦盤面形成，之後才被旋臂、氣體雲與銀河棒拋擲向上？新測量結果明確指向前一種答案，至少對銀河系早期而言如此。

這項成果來自特內里費島加那利群島天文物理研究所（Instituto de Astrofísica de Canarias，IAC）的 ChronoGal 計畫；該計畫將歐洲太空總署 Gaia 衛星的資料轉換為恆星年齡。論文第一作者、IAC 博士前研究員大衛・米拉巴爾（David Mirabal）稱，這是「首個明確的觀測證據，支持銀河系早期階段兩種模型中的其中一種」。

這兩個階段差異鮮明。在第一階段，盤面恆星距離中平面的典型高度，約在20億年間從超過4,100光年降至約1,600光年。在約108.5億年前的轉折點之後，變薄速度減慢約五十倍；如今最新形成的恆星，則位於厚度約400光年的一層之中。

Gaia 年齡測量如何將一場40年爭論化為可量化數據

Gaia 已測得逾十億顆恆星的位置、運動與亮度，但並不會直接為其中任何一顆標註年齡。ChronoGal 則以統計方式推算年齡。研究團隊建立色－星等圖，也就是描繪每顆恆星有多亮、顏色有多藍或多紅的圖表，並以恆星演化模型中年齡與化學組成已知的合成恆星進行擬合。最佳組合可顯示各個年齡與金屬量下形成了多少恆星。

這套方法可達到優於5%的年齡精確度，意味著即使對年齡超過100億年的恆星，誤差也約只有5億年。這項精確度正是關鍵所在。早期研究以化學組成作為年齡的替代指標來分類恆星，但每一組混雜了年齡差異極大的恆星，因而模糊了本研究團隊所要追蹤的早期快速變化。

研究人員以太陽為中心選取兩個圓柱體區域：其中一個半徑約815光年，用於軌道較冷、較平坦的恆星；另一個半徑約2,450光年，涵蓋軌道較熱、傾角較大的恆星。他們將兩個區域都切分為八個層次，延伸至盤面上下約3,260光年，校正因塵埃遮蔽或亮度太低而未被 Gaia 偵測到的每一顆恆星，並將結果歸入具有相同年齡與金屬量的族群。

接著，研究團隊針對每個族群測量尺度高度，這是衡量恆星在盤面上方分布多遠、再逐漸稀疏的標準尺度。將尺度高度對年齡作圖後，得到兩條直線，中間帶有明顯折點。擬合資料的模型將該折點定在約108.5億年前，誤差約1.3億年。

生來蓬鬆，而非後來被震離盤面

兩種觀點一直相互競爭。在加熱模型中，恆星始終誕生於薄而冷的層中，並在數十億年間因與氣體雲、旋臂及銀河棒相遇而使軌道能量升高，因此老恆星之所以位於更高處，只是因為它們被擾動的時間更久。在「倒置形成」模型中，年輕銀河系的氣體本身便湍流且厚實，因此最早的恆星在高處形成，而後續每一代恆星則在更平靜、更薄的層中形成。

加熱是一個緩慢且穩定的過程。它不容易解釋一個盤面如何能在約20億年間失去超過一半厚度，尤其是在一個仍不斷吞併較小星系的年輕銀河系中；這類吞併本應使其維持高溫狀態。最後一次大型碰撞涉及一個名為 Gaia-Sausage-Enceladus 的矮星系，發生於約100億年前，大致與快速階段結束的時間相符。作者結論指出，整個湍流、倒置形成的階段持續約30億年。

這項比較讓尺度變得容易理解。研究中最古老的族群，延展高度超過厚盤教科書通常所列、約2,900光年的尺度高度。約46億年前誕生的太陽，屬於平靜階段；當時的沉降速率已降至每10億年約120光年。用作者的話說，這些膨鬆的最老恆星是「早期銀河系組裝階段的結構化石」。

這種模式也符合宇宙學模擬。包括 FIRE-2 模擬在內的類銀河系模型，預測早期存在一段爆發頻繁、混亂無序的時代，恆星在雜亂的軌道上誕生，隨後迅速塌縮成旋轉的薄盤。另一項今年的研究則將銀河系開始以盤狀結構旋轉的時點定在約120億年前，雖然誤差範圍很大，但與快速變薄的起始時間相符。

恆星年齡尚未能定論的問題

這項測量僅涵蓋太陽鄰近區域，也就是太陽周圍數千光年的範圍。銀河系直徑約10萬光年，內盤與外盤可能依照不同時程沉降。從內銀河系遷移而來、金屬量異常豐富的恆星，因不會遵循當地趨勢而被排除在擬合之外。

早期快速階段所依據的資料點不多。老年齡段斜率的不確定性很大：快速階段的沉降速率，可能比最佳估計低約45%，或高約75%。對最古老的兩個族群，團隊只能給出尺度高度的下限；而在較熱的樣本中，部分族群必須人工分離，儘管作者表示，即使將資料以一致方式劃分，仍得到相同結論。

加熱模型也尚未被排除。對平靜階段而言，逐漸變薄的現象同樣能很好地符合兩種模型。模擬顯示，兩種過程會共同作用，其中加熱對尺度高度隨年齡整體增加的貢獻約為30%至40%。此外，研究中的每一個年齡都依賴恆星演化模型，因此這些模型若存在系統性誤差，整條時間線都會隨之偏移。

關於銀河系厚盤與薄盤的常見問題

什麼是銀河系的厚盤？

它是一層較膨鬆、較古老的恆星結構，與薄盤重疊；旋臂與大多數年輕恆星便位於薄盤之中。其恆星通常年齡超過約100億年、金屬量較低，且軌道傾角較大。新研究指出，它最初是由湍流氣體形成，而非後來由薄盤加熱而成。

天文學家如何測量恆星年齡？

對單一恆星而言，這很困難，因為恆星的顏色與亮度會在數十億年間緩慢變化。ChronoGal 將大量恆星樣本的顏色與亮度同時與恆星模型進行擬合，從而為整個族群得出優於5%的年齡精確度；對最古老的族群而言，約為5億年。

銀河系的盤面有多厚？

這取決於恆星的年齡。最新形成的恆星位於尺度高度約400光年的一層中，而本研究最古老的族群可達超過4,100光年。銀河系本身直徑約10萬光年，因此即使是厚盤，相對其寬度而言仍然很薄。

何謂倒置形成？

這表示盤面由上而下形成：最早的恆星誕生於厚實、湍流的氣體層中，而之後每一代則在更薄、更平靜的層中形成。相反的觀點則認為，每顆恆星都生於薄盤，只是在時間推移下逐漸向上漂移。

下一步是什麼

該論文於2026年10月16日刊登於 The Astrophysical Journal Letters，IAC 則於10月19日公布這項成果。ChronoGal 獲得歐洲研究委員會 Advanced Grant 資助，並已將同一套 Gaia 方法應用於內銀河系與最古老的盤面恆星。

下一項檢驗將在2026年12月2日到來，屆時歐洲太空總署將發布 Gaia Data Release 4，涵蓋5.5年的觀測資料。對更遙遠恆星而言，更精確的距離與運動資料，應可讓團隊檢驗約108.5億年前的折點是否也出現在太陽鄰近區域之外，或銀河系其他地方是否依循不同的沉降時鐘。

參考文獻：Mirabal et al., “A Two-stage Settling of the Milky Way Disk Revealed by Precise ChronoGal Ages,” The Astrophysical Journal Letters, 2026. DOI: 10.3847/2041-8213/aeb0a3

標籤: 天文學, ChronoGal, Gaia, Instituto de Astrofísica de Canarias, 厚盤, 恆星年齡