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韋伯太空望遠鏡解開星系雙層結構演化之謎

現代盤狀星系普遍存在薄、厚雙層盤面結構,但這兩種結構的形成機制與時序仍是未解之謎。為此,天文學家運用NASA/ESA/CSA詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的觀測資料,系統性分析111個側向盤狀星系樣本,時間跨度達110億年前(約大爆炸後28億年),試圖揭開這項宇宙之謎。

韋伯/NIRCam合成影像展示團隊部分研究樣本(按紅移值排序)。影像來源:Tsukui等人,doi: 10.1093/mnras/staf604。

當代盤狀星系普遍具有雙層結構:外層是由年老恆星組成的厚盤,內層則嵌著由年輕恆星構成的薄盤。以銀河系為例,其厚盤高度約3,000光年,薄盤厚度則僅約1,000光年。

澳洲國立大學天文學家Takafumi Tsukui博士解釋:「韋伯的突破性在於能精確測量早期宇宙中星系的盤面厚度。傳統觀測中,年老厚盤恆星過於黯淡,往往被年輕薄盤恆星的光芒掩蓋。但韋伯兼具超高解析度與穿透星塵的能力,讓我們首次能清楚區分雙層結構。」

透過分析跨宇宙時空的111個側向星系,團隊發現星系演化存在明確模式:先形成厚盤,再發展出薄盤。但具體時序取決於星系質量:大質量星系約在80億年前就完成轉變,小質量星系則遲至約40億年前才形成薄盤。

同屬澳洲國立大學的Emily Wisnioski博士強調:「這項研究最令人振奮的發現,是首次證實80億年前(甚至更早)就已存在成熟薄盤結構。過去我們從未能在如此遙遠的星系中解析薄盤細節。」

為驗證「湍氣盤」假說,團隊結合阿塔卡瑪大型毫米波陣列(ALMA)的氣體運動資料。研究顯示:早期宇宙的湍動氣體盤觸發劇烈恆星形成,造就厚盤結構;隨恆星誕生逐步穩定氣體盤後,才逐漸形成薄盤。由於大質量星系氣體轉化效率較高,故能更早完成此過程。

Tsukui博士指出:「雖然我們已解析結構差異,未來還需整合恆星運動、年齡與金屬量等資料,才能完整建構盤狀星系的演化圖景。」這項開創性研究已發表於《皇家天文學會月報》。

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Takafumi Tsukui等人(2025),《宇宙演化歷程中星系薄厚盤的湧現》,MNRAS 540(4): 3493-3522; doi: 10.1093/mnras/staf604