[비즈한국] 在動畫《天元突破紅蓮螺巖》中，出現過令人震撼的一幕。超越銀河系，甚至能與整個宇宙相媲美的巨大機器人展開決鬥，並將銀河系像手裡劍一樣擲出。在那個場景中，銀河系被描繪成薄如紙片的圓盤，甚至還能像利刃一樣切入另一個銀河系。作為一名研究銀河系的天文學家，這一幕簡直令人倍感衝擊。
銀河系難道像唱片一樣薄嗎？然而，觀察最近詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）拍攝的銀河系影象，或許動畫裡的描繪並非完全離譜。天文學家從韋布觀測到的銀河系中挑選出了111個擁有超薄圓盤的星系。由於這些星系從地球視角看是側向（edge-on）的，因此它們呈現出側面細長的形狀，而不是圓潤盤旋的旋臂。這就像我們在銀河系內觀察銀河的側面截面一樣，我們觀測到了遠在數億乃至數十億光年之外的星系所擁有的“銀河”。
然而，這些薄圓盤星系呈現出驚人的趨勢。在遙遠星系中原本看不見的結構，越是靠近近處的宇宙，呈現出的形態越是新穎。這一發現為包括銀河系在內的、擁有薄圓盤星系的誕生提供了驚人的線索。
事實上，銀河系的圓盤不止一個。薄圓盤（Thin Disk）與厚圓盤（Thick Disk）共存。構成銀河系中心部分的薄圓盤厚度約為1000光年。它主要由像太陽這樣相對近期誕生的年輕恆星組成，重元素（如氧、碳）的含量較高。厚圓盤的厚度可達3000光年，主要是很久以前誕生的年老恆星。因此，其金屬含量要低得多，這是因為恆星爆炸後留下的重元素較少。
一提到圓盤星系，人們往往只想到薄圓盤，但宇宙中超過三分之二的星系圓盤同時也擁有厚圓盤。特別是根據銀河系圓盤的厚度和規模，構成各圓盤的恆星世代和元素含量截然不同，因此厚圓盤和薄圓盤如何共存、各自如何形成、以及為何能如此涇渭分明，是銀河系形成過程研究領域中非常重要的問題。
關於厚圓盤和薄圓盤各自如何形成，此前主要有兩種假說。第一種假說是厚圓盤先形成，隨後才形成薄圓盤。在極其遙遠的古代，大型與小型矮星系混合攪拌的過程中，氣體物質被迅速加速並加熱，因此初期的星系圓盤呈厚闊狀。隨著時間的推移，在厚圓盤內開始陸續誕生新的恆星。隨著恆星數量增加，得益於新誕生的恆星圓盤的引力，原本上下擴散的厚圓盤逐漸平靜並聚集，星系圓盤的厚度變薄。這一假說認為，經過很長一段時間後，厚圓盤內部就會形成薄圓盤。
第二種假說是相反的。即薄圓盤先形成，後來才形成厚圓盤。假設最初恆星是在薄圓盤中誕生的。隨著時間流逝，星系經歷與周圍鄰近星系的相互作用，產生旋臂和棒狀結構等各種動力學變化，使得原本平鋪在圓盤上的恆星和氣體物質逐漸向圓盤上下擴散，從而形成了厚圓盤。
有趣的是，針對同一個厚圓盤與薄圓盤共存的星系，這兩種假說給出了截然相反的解釋。直到最近，兩者中哪一個正確仍無定論。然而不久前，詹姆斯·韋布的觀測結果讓哪一個更接近正確答案變得明朗了。
天文學家從韋布拍攝的宇宙照片中篩選出了111個呈側向（edge-on）、能清晰看到銀河圓盤的星系。此次觀測最遠追溯到100億年前的過去宇宙。最遙遠的星系保留了宇宙誕生後僅38億年時的樣貌。天文學家將各個星系的圓盤從側面觀察到的形態進行分類，分為僅擁有厚圓盤的情況，以及同時擁有厚圓盤和薄圓盤的情況。結果，一種驚人的趨勢顯現出來。
在遙遠宇宙的星系中，看不到薄圓盤，它們大多隻有模糊擴散的厚圓盤。反之，越靠近近期宇宙，星系開始顯現出薄圓盤。這種明確的相關性支撐了這樣一種假說：遙遠的過去星系剛形成時只有厚圓盤，隨著時間推移，星系逐漸形成新的薄圓盤，從而擁有雙重圓盤。換言之，在解釋厚圓盤與薄圓盤形成過程的兩種假說中，“先有厚圓盤，後有薄圓盤”的假說是正確的。
透過對比星系總恆星質量與各星系中圓盤所佔質量的圖表可以更清楚地看出這一點。圖中橙色點顯示厚圓盤的生長過程，天藍色點顯示薄圓盤的生長過程。所有圓盤都表現出隨著星系變重而共同生長的趨勢，尤其是與橙色線相比，天藍色線的上升斜率更陡。這表明，與先形成的厚圓盤相比，後來形成的薄圓盤生長速度更快。
此外，根據星系質量的不同，也呈現出有趣的差異。質量越大的星系，越早開始形成薄圓盤。對比僅擁有厚圓盤的星系開始同時具備薄圓盤的時間點，質量較大的星系在80億年前就開始轉向雙重圓盤，而較輕的星系直到40億年前才開始轉變。這意味著輕質量星系比重質量星系晚了30億至40億年才開始具備薄圓盤。
這表明這兩個圓盤並非各自獨立形成的結構，而是共同共存、一起生長的結構。並不是簡單地在厚圓盤完全建好後才單獨形成薄圓盤，而是除了正式誕生時間有差異外，厚圓盤和薄圓盤兩者都在共存並共同生長，呈現出“協同進化”的狀態。即使在薄圓盤開始形成後，厚圓盤也不會停止生長，隨著星系整體質量的增加，它會繼續向更厚、更重的方向生長。
為了更深入分析這一發現，天文學家隨後又利用阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列（ALMA）射電望遠鏡對這些星系進行了追加分析。研究團隊分析了各星系圓盤內部氣體物質的波動速度，並對比了各星系圓盤中重元素含量的差異。實際上，在初期宇宙中擁有厚圓盤的星系裡，氣體物質的波動確實更快。這表明初期宇宙厚圓盤中的氣體物質湍流尚未平息。
在初期宇宙中，星系圓盤還充滿了快速混合的氣體粒子。圓盤內部充滿氣體湍流，並被快速移動的粒子填滿，因此溫度很高。所以，初期的星系圓盤是厚實的。在充滿湍流的厚圓盤中誕生了第一代恆星，隨著初期圓盤的發育，圓盤的湍流逐漸減弱。隨著圓盤變得靜謐，更年輕的恆星遲遲誕生，它們留下的重金屬元素填滿了薄圓盤。相反，從很久以前就留存下來的、金屬含量低的年老恆星則繼續構成厚圓盤。根據此次分析，銀河系的薄圓盤似乎形成於距今約80億年前。有趣的是，這一數值與透過銀河系薄圓盤內恆星光譜推測出的化學年齡非常吻合。
在以星系為單位觀察整個宇宙進化的星系天文學中，“銀河系是否是一個獨特的世界”這一問題至關重要。如果銀河系像其他星系一樣，是透過極其普通的進化過程形成的，那麼我們所看到的宇宙景象就能很好地代表整個宇宙。相反，如果我們經歷了與其他星系不同的獨特歷史，那麼我們所觀測到的周邊宇宙景象就很難代表整個宇宙的平均特徵。
遺憾的是，我們一生被禁錮在銀河系內，甚至連銀河系的真實面貌都無法親眼確認，這種可能性很高。除非我們能成為隨意穿梭於銀河系之外、整個宇宙的物種，否則我們所處的周邊宇宙景象是否能很好地代表整個宇宙的平均狀態，是左右現代宇宙學和天文學根基的一個非常重要且敏感的問題。幸運的是，此次發現表明銀河系經歷了與宇宙中無數圓盤星系相似的誕生歷史。宇宙中無數星系都懷揣著銀河，中心流淌著纖細清晰的溪流，兩側流淌著更廣闊的厚重江河。而我們，也是其中之一。
參考
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）是誰？他熱愛貓與宇宙。小時候看了《銀河鐵道999》後，立下了向世人傳達宇宙之美的夢想。目前在延世大學銀河進化研究中心及近宇宙論實驗室研究透過星系相互作用的進化，並進行演講和寫作等各類科學傳播活動。著有《曖昧中的天文臺》、《整天想宇宙》、《星，光之科學》等書籍。