銀河系的形成和演化 摘 要銀河系是宇宙中數(shù)以百億計(jì)星系中的一員.自威廉·赫歇爾以來(lái)，人們對(duì)銀河系結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的認(rèn)識(shí)已有200多年歷史，而有關(guān)銀河系起源和演化的探索則只是在最近半個(gè)多世紀(jì)內(nèi)才成為天文學(xué)的研究熱點(diǎn).文章在簡(jiǎn)述銀河系認(rèn)識(shí)史的基礎(chǔ)上，對(duì)有關(guān)銀河系形成和演化這一重要天體物理問(wèn)題做了概要的評(píng)述，其中包括銀河系厚盤(pán)的發(fā)現(xiàn)及其可能的形成機(jī)制. 1 銀河系的研究簡(jiǎn)史 早在15世紀(jì)中期，法國(guó)大主教尼古拉就已猜測(cè)夜空中的眾多繁星都是十分遙遠(yuǎn)的太陽(yáng).1584年，意大利思想家布魯諾（Bruno G）進(jìn)一步明確提出宇宙無(wú)限的概念，并認(rèn)定太陽(yáng)只是一顆普通的恒星.不過(guò)，鑒于這些天才的猜測(cè)缺乏實(shí)測(cè)科學(xué)依據(jù)的支持，學(xué)者們并沒(méi)有給以充分的關(guān)注. 對(duì)銀河系本質(zhì)的認(rèn)識(shí)首先歸功于望遠(yuǎn)鏡的問(wèn)世.1608年，荷蘭人利伯希（Lippershey H）在一次偶然機(jī)會(huì)中發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡.1609年，伽利略率先把自制的望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)銀河，他發(fā)現(xiàn)銀河實(shí)際上由無(wú)數(shù)顆恒星構(gòu)成，只是因?yàn)檫@些星星既多又暗，且密集在一起，肉眼無(wú)法加以分辨，在晴朗夜空中形成了一條模糊而又不規(guī)則的銀白色光帶——銀河.1750年，英國(guó)天文學(xué)家賴(lài)特（Wright T）正確指出，銀河和天空中所有的恒星構(gòu)成一個(gè)扁平狀的巨大恒星系統(tǒng)，但他并沒(méi)有給出觀測(cè)證據(jù). 首先通過(guò)實(shí)測(cè)探究銀河系結(jié)構(gòu)的是著名英國(guó)天文學(xué)家、天王星發(fā)現(xiàn)人威廉· 赫歇爾（Herschel W）.從1770年代起，赫歇爾開(kāi)始用恒星計(jì)數(shù)方法研究銀河系結(jié)構(gòu).在幾十年內(nèi)所作的1083次觀測(cè)中，他總共計(jì)數(shù)了117,600顆恒星，就當(dāng)時(shí)的條件來(lái)說(shuō)工作量非常大，赫歇爾為之付出了極大的心血.1785年，赫歇爾在觀測(cè)的基礎(chǔ)上加上若干理論假設(shè)，建立了天文學(xué)史上的第一個(gè)銀河系模型(見(jiàn)圖1). 赫歇爾的工作具有重大歷史意義，它證實(shí)了作為一個(gè)恒星系統(tǒng)的銀河系的客觀存在，使人類(lèi)的視野從太陽(yáng)系范圍大大地拓展了.這是繼哥白尼建立日心說(shuō)之后，天文學(xué)發(fā)展史上的又一個(gè)重要里程碑，赫歇爾因此被后人譽(yù)為恒星天文學(xué)之父.在赫歇爾的模型中，太陽(yáng)仍然位于那時(shí)所認(rèn)識(shí)的宇宙范圍——銀河系的中心.基于赫歇爾當(dāng)時(shí)在天文界中有著很高的聲望，這一不正確的概念維持了130余年. 1830年代發(fā)明了照相術(shù)，荷蘭天文學(xué)家卡普坦（Kapteyn J）首先意識(shí)到這可以為天文學(xué)家提供一種全新的觀測(cè)手段，他正確地認(rèn)定，借助照相方法重做恒星計(jì)數(shù)工作，可望得出比赫歇爾更好的結(jié)果.經(jīng)過(guò)不懈的努力，卡普坦于1922年發(fā)表了他的銀河系模型：銀河系主體具有盤(pán)狀結(jié)構(gòu)，直徑5.5萬(wàn)光年，厚1.1萬(wàn)光年，包含了474億顆恒星；太陽(yáng)位于靠近盤(pán)中心的位置上，離中心約為2000—2300光年，世人稱(chēng)為“卡普坦宇宙”.遺憾的是，盡管卡普坦曾正確認(rèn)識(shí)到“太陽(yáng)到系統(tǒng)的中心必定有相當(dāng)大的距離”，但他最終還是放棄了. 正確判定太陽(yáng)在銀河系中位置的工作是由美國(guó)天文學(xué)家沙普利（Shapley H）完成的.1918年，沙普利研究了69個(gè)球狀星團(tuán)的空間分布，發(fā)現(xiàn)有90%位于銀河系中心方向一側(cè)，并根據(jù)球狀星團(tuán)分布這種“一邊倒”的觀測(cè)現(xiàn)象，正確推斷太陽(yáng)并不居于銀河系中心，而是處在比較靠近銀河系邊緣的位置上，這一結(jié)論為深入研究銀河系結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ).在沙普利的模型中，太陽(yáng)位于距銀河系中心約5萬(wàn)光年處，而全部球狀星團(tuán)涉及的空間范圍約為30萬(wàn)光年，這個(gè)數(shù)字實(shí)際上是偏大了.這時(shí)，距赫歇爾提出的第一個(gè)銀河系模型已過(guò)去了130余年. 根據(jù)近代天文觀測(cè)和研究可知［1,2］，銀河系是一個(gè)旋渦星系，年齡估計(jì)在100億年以上，總體結(jié)構(gòu)大體可分為4部分(見(jiàn)圖2—圖4)，即銀盤(pán)、核球、銀暈和暗暈.銀河系總質(zhì)量（指不計(jì)暗暈部分，下同）約為1.4×1011太陽(yáng)質(zhì)量，其中以恒星形式出現(xiàn)的約占90%，由氣體和塵埃組成的星際介質(zhì)占10%左右. 銀盤(pán)是銀河系中恒星和星際介質(zhì)分布的主體，集中了銀河系質(zhì)量的85%—90%.銀盤(pán)呈軸對(duì)稱(chēng)和平面對(duì)稱(chēng)的扁平圓盤(pán)狀，直徑8.2萬(wàn)光年.太陽(yáng)到銀河系中心的距離（銀心距）約為2.6萬(wàn)光年，離銀盤(pán)對(duì)稱(chēng)平面（銀道面）僅為20—30光年.銀盤(pán)中心厚，邊緣薄，太陽(yáng)附近銀盤(pán)厚度約3,300光年. 核球是位于銀河系中心部分的恒星密集區(qū)，大致呈扁旋轉(zhuǎn)橢球體狀，長(zhǎng)軸約1.3—1.6萬(wàn)光年，厚1.3萬(wàn)光年左右.核球質(zhì)量約占銀河系質(zhì)量的5%，主要成分是老年天體，且越接近核心區(qū)，恒星密度越高.銀河系中心附近有一個(gè)至少含5個(gè)子源的強(qiáng)射電源人馬A，明亮的銀核即位于其中的1個(gè)子源內(nèi)，直徑接近5光年，質(zhì)量約是太陽(yáng)質(zhì)量的幾百萬(wàn)倍.一種流行的觀點(diǎn)認(rèn)為，在銀核位置上有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，不過(guò)目前它并沒(méi)有處于劇烈活動(dòng)期. 包圍著銀盤(pán)的是一個(gè)物質(zhì)平均密度比銀盤(pán)低得多的區(qū)域，稱(chēng)為銀暈，大體上呈球狀，直徑約10萬(wàn)光年.銀暈涉及的范圍比銀盤(pán)大得多，但因物質(zhì)分布非常稀疏，故質(zhì)量大約只及銀盤(pán)的10%.銀暈中主要有兩類(lèi)天體，即老年恒星和球狀星團(tuán)，此外還有極少量的氣體. 銀暈外有一個(gè)范圍更大的物質(zhì)分布區(qū)，這就是暗暈，其成分是暗物質(zhì)，尺度可能是銀暈的10倍，質(zhì)量可能高達(dá)銀河系其他部分質(zhì)量總和的10倍.暗暈的存在是根據(jù)觀測(cè)資料間接推定的：如果銀河系物質(zhì)主要集中在銀盤(pán)和銀核，則離中心越遠(yuǎn)處，恒星繞銀心的轉(zhuǎn)動(dòng)速度越慢，而實(shí)測(cè)結(jié)果卻大相徑庭——在太陽(yáng)附近以及更遠(yuǎn)的地方，恒星轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhì)尚不很清楚的不發(fā)光暗物質(zhì)，它們構(gòu)成了暗暈. 2 兩種可能的演化途徑 在沙普利之后的幾十年時(shí)間內(nèi)，隨著天文觀測(cè)研究工作的深入，特別是射電天文手段的面世，人們對(duì)銀河系結(jié)構(gòu)取得了較為全面的認(rèn)識(shí)，開(kāi)始探究銀河系的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，并進(jìn)而探討銀河系的形成和演化機(jī)制. 銀河系天體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)取決于銀河系引力場(chǎng)，也就是取決于銀河系的物質(zhì)分布狀況.恒星在銀河系內(nèi)的運(yùn)動(dòng)形式既不像太陽(yáng)系中行星的開(kāi)普勒運(yùn)動(dòng)，也不是角速度處處相同的剛體自轉(zhuǎn)，而是所謂“較差自轉(zhuǎn)”，即不同銀心距的恒星有不同的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度.這一概念首先是由瑞典天文學(xué)家林德伯拉德（Lindblad B）于1925年提出的，兩年后經(jīng)荷蘭天文學(xué)家?jiàn)W爾特（Oort J H）的工作而得以完善.在上述工作基礎(chǔ)上，奧爾特于1932年建立了第一個(gè)近代銀河系模型，并開(kāi)創(chuàng)了用動(dòng)力學(xué)方法解釋恒星運(yùn)動(dòng)學(xué)狀態(tài)的研究途徑，稱(chēng)為奧爾特-林德伯拉德理論［3］. 1944年，當(dāng)時(shí)正在美國(guó)工作的德國(guó)天文學(xué)家巴德（Badde W）明確提出星族的概念，即根據(jù)銀河系物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)、空間分布和運(yùn)動(dòng)特征，把銀河系天體區(qū)分為星族I和星族II兩類(lèi).星族I天體的年齡較輕，大致分布在以銀心為中心的一個(gè)扁圓環(huán)狀范圍內(nèi)，它們繞銀心的運(yùn)動(dòng)速度較大，但速度彌散度較?。恍亲錓I天體年齡比較老，分布在一個(gè)以銀心為中心的略扁的球形天區(qū)內(nèi)，這類(lèi)天體繞銀心的運(yùn)動(dòng)速度較小，但速度彌散度卻比較大.銀盤(pán)中天體以星族I為主，核球和銀暈內(nèi)主要是星族II天體. 目前所觀測(cè)到的銀河系的物理、化學(xué)、分布、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征以及星族的客觀存在，是100多億年前銀河系形成以及嗣后長(zhǎng)期演化的結(jié)果.為了探究這一漫長(zhǎng)過(guò)程中所發(fā)生的真實(shí)情況，首先必須建立合理的銀河系理論模型，并對(duì)觀測(cè)事實(shí)做出有效的解釋.迄今已提出的這類(lèi)模型可謂名目繁多，大體上可以根據(jù)模型試圖解釋的主要觀測(cè)事實(shí)，分為質(zhì)量模型、恒星計(jì)數(shù)模型、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、動(dòng)力學(xué)模型以及化學(xué)演化模型等幾大類(lèi).如質(zhì)量模型是要對(duì)銀河系及其各個(gè)成分的密度分布做出說(shuō)明，使模型預(yù)期值與一些觀測(cè)量（如太陽(yáng)附近的總面密度等）相一致；恒星計(jì)數(shù)模型應(yīng)該對(duì)銀河系不同位置處恒星絕對(duì)星等的分布給出合理解釋?zhuān)贿\(yùn)動(dòng)學(xué)模型涉及恒星的空間運(yùn)動(dòng)，不僅要求能說(shuō)明恒星數(shù)密度與絕對(duì)星等之間關(guān)系，而且要對(duì)不同位置上的恒星速度分布做出預(yù)言；而化學(xué)演化模型則要通過(guò)研究物質(zhì)化學(xué)成分的歷史演變蹤跡，來(lái)探索銀河系形成和演化的線(xiàn)索. 銀河系是如何形成的，這個(gè)問(wèn)題在現(xiàn)代天體物理研究中有著重要的地位.合理的銀河系形成機(jī)制，應(yīng)能對(duì)銀河系的結(jié)構(gòu)及各種成分（包括星族、星團(tuán)等）的觀測(cè)性質(zhì)做出恰當(dāng)?shù)慕忉?不僅如此，有關(guān)的主要結(jié)論還應(yīng)在河外星系，特別是在與銀河系有同類(lèi)形態(tài)的旋渦星系上得到印證. 天文學(xué)家把物質(zhì)中某類(lèi)元素含量所占的比例稱(chēng)為該類(lèi)元素的豐度.宇宙中含量最豐富的元素是氫，約占物質(zhì)總量的71%；其次是氦，約占27%；其他元素統(tǒng)稱(chēng)為“重元素”或“金屬元素”，而全部重元素總的豐度僅在2%左右.氫是宇宙早期即已存在的原初元素，大部分氦生成于大爆炸發(fā)生后的3分鐘內(nèi)，因而在原初星際介質(zhì)和由此生成的第一代恒星中，金屬元素豐度極低.另一方面，幾乎所有的重元素都是在恒星演化過(guò)程中經(jīng)內(nèi)部核反應(yīng)合成的，稱(chēng)為核合成，并通過(guò)超新星爆發(fā)以及星風(fēng)等途徑送入星際介質(zhì).
銀河系的化學(xué)演化必然與恒星演化密切相關(guān).恒星演化的進(jìn)程取決于恒星質(zhì)量，質(zhì)量越大演化得越快.大質(zhì)量恒星的演化很快，最快的僅需經(jīng)過(guò)幾百萬(wàn)年時(shí)間，便以超新星爆發(fā)而終其一生.由于銀河系年齡超過(guò)100億年，歷時(shí)幾百萬(wàn)年甚至更長(zhǎng)的一些過(guò)程，相對(duì)銀河系的一生來(lái)說(shuō)實(shí)際上是很短的.這類(lèi)短時(shí)標(biāo)事件在銀河系的整個(gè)演化史中會(huì)不斷出現(xiàn)，其結(jié)果是注入星際介質(zhì)中的重元素不斷增多.因此，星際介質(zhì)以及由星際介質(zhì)坍縮形成的恒星內(nèi)的重元素豐度，必然隨宇宙年齡的增大而增大，這一過(guò)程稱(chēng)為“元素增豐”.顯然，在目前存在的恒星中，金屬豐度越低年齡越老，它們必定是一些長(zhǎng)壽命的小質(zhì)量恒星，因?yàn)榇筚|(zhì)量恒星早已壽終正寢了；近期誕生的恒星金屬豐度就高，它們質(zhì)量可以有大有小.
1962年，三位美國(guó)天文學(xué)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，后人稱(chēng)為ELS理論［4］.這種理論認(rèn)為，銀河系形成于一個(gè)大致呈球形的巨大原星系云.這個(gè)云最初的金屬豐度很低，并因引力作用而處于自由下落狀態(tài)，稱(chēng)為引力坍縮.在坍縮過(guò)程中，云的自轉(zhuǎn)速度不斷增大，以保持角動(dòng)量守恒，大部分重元素豐度很低的所謂“貧金屬星”和球狀星團(tuán)就是在這一過(guò)程中形成的，而目前觀測(cè)到的這類(lèi)老年星族II天體具有很扁的運(yùn)動(dòng)軌道，便是原星系云自由坍縮的直接結(jié)果.又因?yàn)樘s過(guò)程進(jìn)行得很快，期間形成的球狀星團(tuán)便有大致相同的年齡.當(dāng)云的半徑收縮到原星系云半徑的十分之一左右時(shí)，由于超新星爆發(fā)不斷出現(xiàn)，云變成富金屬態(tài)，并逐漸變?yōu)楸馄綘?，形成一個(gè)由離心力支撐的盤(pán)結(jié)構(gòu).這時(shí)銀盤(pán)及盤(pán)族恒星開(kāi)始形成，并保持這種狀態(tài)直到今天，盤(pán)內(nèi)恒星較為年輕，金屬豐度則比較高.ELS理論可以較好地說(shuō)明許多重要觀測(cè)事實(shí)，如銀河系的總體結(jié)構(gòu)、不同星族恒星的年齡、金屬豐度和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等.
觀測(cè)結(jié)果表明，老年球狀星團(tuán)的金屬豐度各不相同，且差異較為顯著，這一事實(shí)給ELS的快坍縮模型帶來(lái)了如下困難：既然坍縮過(guò)程進(jìn)行得很快，期間元素增豐的效果就不會(huì)很明顯，不同球狀星團(tuán)的金屬豐度應(yīng)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(diǎn)是，銀河系由幾十個(gè)較小的星系云并合而成，而不是生成于單一的巨原星系云.這些小云塊的質(zhì)量約為108太陽(yáng)質(zhì)量，它們各自演化成較小的系統(tǒng)，并相互碰撞、并合，在一種緩慢的坍縮過(guò)程中，最終形成銀河系.由于在同一時(shí)間段內(nèi)不同小星系內(nèi)部的增豐情況各不相同，從而較好地解釋了球狀星團(tuán)在金屬豐度上的差異.西爾勒模型稱(chēng)為慢坍縮模型，以區(qū)別于ELS的快坍縮模型.后來(lái)的一些數(shù)值模擬工作表明，小星系確實(shí)會(huì)通過(guò)相互并合形成更大的系統(tǒng)，從而支持了西爾勒模型.不過(guò)，銀河系純粹由大量小星系并合而成的機(jī)制很難解釋銀盤(pán)的形成，為做到這一點(diǎn)，必須對(duì)并合的具體方式加以嚴(yán)格的限定，如小星系在并合過(guò)程中應(yīng)取適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)路徑等，而這顯然很不現(xiàn)實(shí).還有，盡管對(duì)銀河系核球的起源仍很不明晰，但是構(gòu)成核球的物質(zhì)很可能是以氣體，而不是以恒星的形式并入銀河系，對(duì)這一點(diǎn)的解釋ELS模型顯得更為自然.
近年來(lái)的不少觀測(cè)研究表明，宇宙中星系的并合和吸積現(xiàn)象確實(shí)存在，如銀河系曾經(jīng)吸積了一些球狀星團(tuán)和暈族恒星.又如，離銀河系最近的河外星系——大麥哲倫星云，正在不斷地朝著銀河系旋進(jìn)，預(yù)期最終可能會(huì)被銀河系吞并，屆時(shí)大麥哲倫星云中的球狀星團(tuán)便自然成為銀河系的成員.看來(lái)，銀河系的形成和演化機(jī)制應(yīng)該是比較復(fù)雜的，很可能既取決于銀河系的內(nèi)部過(guò)程——坍縮，又涉及外部因素——吸積和并合.
3 厚盤(pán)發(fā)現(xiàn)帶來(lái)的問(wèn)題
除了尚不十分明確的暗暈部分外，銀河系物質(zhì)主要以恒星形式出現(xiàn)，并集中分布在銀盤(pán)中.在銀道面附近，恒星數(shù)密度（單位體積內(nèi)的恒星個(gè)數(shù)）最高，隨著恒星到銀道面距離（銀面距）的增大，恒星數(shù)密度逐漸降低.通常認(rèn)為，恒星數(shù)密度ν隨銀面距z的變化規(guī)律，即函數(shù)ν(z)大體上具有指數(shù)分布形式：ν(z)=ν0e-z/h，其中的e=2.7182…為自然對(duì)數(shù)底，ν0是銀道面上（即z=0處）的恒星數(shù)密度，而h稱(chēng)為標(biāo)高.標(biāo)高的物理含意是，銀面距每增大h秒差距，恒星的數(shù)密度便減小到1/e倍.如何利用實(shí)測(cè)資料確定函數(shù)中ν0和h的具體數(shù)值，是研究銀河系恒星分布的重要內(nèi)容之一.自赫歇爾以來(lái)的近200年內(nèi)，天文界一直認(rèn)為銀盤(pán)中恒星在垂直銀道面方向上只具有單一的指數(shù)分布結(jié)構(gòu).
1983年，英國(guó)天文學(xué)家吉爾莫（Gilmore N）和萊德（Reid G）經(jīng)過(guò)對(duì)12,500顆恒星的觀測(cè)資料進(jìn)行詳細(xì)分析后首次明確提出［6］，銀盤(pán)中的恒星并不僅有單一的成分，而是可以分屬于兩種形態(tài)不同的結(jié)構(gòu)，或者說(shuō)恒星在垂直銀道面方向上的分布需要用2個(gè)不同的指數(shù)成分——薄盤(pán)和厚盤(pán)來(lái)表述(見(jiàn)圖5).在銀面距z≤1000pc(秒差距)的范圍內(nèi)，恒星可以用一個(gè)指數(shù)分布來(lái)描述，標(biāo)高約為300 pc, 這就是薄盤(pán)，也就是原來(lái)意義上的銀盤(pán).在銀面距z=1000—5000pc范圍內(nèi)的恒星主要屬于第二個(gè)指數(shù)成分，標(biāo)高約為1450pc, 稱(chēng)為厚盤(pán).不過(guò)，構(gòu)成薄盤(pán)和厚盤(pán)的恒星在空間分布上是互相套疊在一起，其間并沒(méi)有任何使之一分為二的邊界，這正是厚盤(pán)結(jié)構(gòu)在20多年前才被確認(rèn)的主要原因之一.具體來(lái)說(shuō)，在銀道面附近，主要是薄盤(pán)恒星，屬于厚盤(pán)的恒星甚少，如在太陽(yáng)附近厚盤(pán)恒星約只占恒星總數(shù)的2%.由于薄盤(pán)恒星分布的標(biāo)高只及厚盤(pán)標(biāo)高的五分之一，隨著銀面距的增大，薄盤(pán)恒星的數(shù)密度相對(duì)厚盤(pán)恒星迅速減小，在遠(yuǎn)離銀道面的地方,厚盤(pán)恒星便很快占據(jù)上風(fēng).
恒星分布ν(z)不能用單一指數(shù)律來(lái)表述,這可以有兩種物理解釋?zhuān)杭淬y河系只有單一盤(pán)，而ν(z)為非指數(shù)分布；或者，同時(shí)存在薄盤(pán)和厚盤(pán)，且兩個(gè)盤(pán)均表現(xiàn)為指數(shù)分布.但是，沒(méi)有任何理由認(rèn)定ν(z)必然具有指數(shù)形式，并對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果用存在兩個(gè)盤(pán)來(lái)加以解釋?zhuān)悄茏C明組成兩個(gè)盤(pán)的恒星具有明顯不同的內(nèi)稟性質(zhì)（比如年齡或金屬豐度等）.
后來(lái)的一些研究表明，屬于薄盤(pán)和厚盤(pán)的恒星，確實(shí)在物理和運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì)上有著明顯的差異.厚盤(pán)恒星的年齡不小于80億年，絕大部分大于100億年，而薄盤(pán)恒星的年齡則普遍小于80億年.在化學(xué)組成上，厚盤(pán)恒星的金屬豐度比較低，而薄盤(pán)恒星的金屬豐度比較高.在運(yùn)動(dòng)學(xué)狀態(tài)方面，與厚盤(pán)相比，薄盤(pán)恒星繞銀心的轉(zhuǎn)動(dòng)速度比較大，但不同恒星之間的速度彌散度比較小，顯得較為“步調(diào)一致”.目前，厚盤(pán)的存在已經(jīng)為人們所普遍接受，并進(jìn)行了深入的研究［7］，這樣一來(lái)原來(lái)關(guān)于銀河系結(jié)構(gòu)的3成分（核球+銀盤(pán)+銀暈）模型，應(yīng)代之以四成分（核球+薄盤(pán)+厚盤(pán)+銀暈）模型.在更為細(xì)致的研究中，薄盤(pán)恒星更進(jìn)一步區(qū)分為年輕薄盤(pán)和老年薄盤(pán)兩種成分.其中老年薄盤(pán)就是原來(lái)意義上的薄盤(pán)，而年輕薄盤(pán)恒星的空間分布更要“薄”一些，標(biāo)高僅為100pc.在太陽(yáng)附近，屬于年輕薄盤(pán)的僅占薄盤(pán)恒星的20%左右.另一方面，銀河系中的星際氣體塵埃物質(zhì)主要集聚在銀道面附近，它們的空間分布也呈現(xiàn)盤(pán)狀結(jié)構(gòu)，這就是氣體盤(pán).由此可見(jiàn)，銀河系物質(zhì)的盤(pán)狀結(jié)構(gòu)頗為復(fù)雜.
厚盤(pán)結(jié)構(gòu)并非只見(jiàn)之于銀河系，在其他一些旋渦星系中也已發(fā)現(xiàn)了存在厚盤(pán)的觀測(cè)證據(jù)，這說(shuō)明至少對(duì)部分星系來(lái)說(shuō)，厚盤(pán)很可能是較為普遍存在的一種結(jié)構(gòu)成分，它們的形成和內(nèi)稟性質(zhì)必然與星系演化過(guò)程密切相關(guān).
自厚盤(pán)發(fā)現(xiàn)以來(lái)，人們提出了若干種不同的厚盤(pán)形成機(jī)制，以解釋厚盤(pán)和厚盤(pán)恒星的各種觀測(cè)性質(zhì)，如薄盤(pán)和厚盤(pán)依次形成的坍縮機(jī)制，銀河系與伴星系交會(huì)或并合使銀盤(pán)增厚，早期銀盤(pán)對(duì)物質(zhì)的直接吸積，以及薄盤(pán)天體的運(yùn)動(dòng)學(xué)擴(kuò)散等.這些機(jī)制可分為“先厚后薄”和“先薄后厚”兩大類(lèi)，其中坍縮理論屬于“先厚后薄”機(jī)制，其余幾種則都可歸于“先薄后厚”機(jī)制.鑒于問(wèn)題的復(fù)雜性，以及新觀測(cè)資料的不斷涌現(xiàn)，天文學(xué)家的認(rèn)識(shí)還沒(méi)有取得完全一致.往往是一種機(jī)制能說(shuō)明某些觀測(cè)特征，但卻不能解釋另一些觀測(cè)特征.
坍縮機(jī)制認(rèn)為，厚盤(pán)和薄盤(pán)是銀河系在演化過(guò)程中相繼形成的兩種結(jié)構(gòu).先是通過(guò)坍縮形成厚盤(pán)，剩余氣體因進(jìn)一步內(nèi)落而形成薄盤(pán).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(guò)程.快坍縮機(jī)制的理論基礎(chǔ)是ELS模型，厚盤(pán)形成經(jīng)歷的時(shí)間大約只有4億年，薄盤(pán)在這之后形成，歷時(shí)6億年.慢坍縮機(jī)制認(rèn)為，由于氣態(tài)物質(zhì)的壓力支撐作用，引力坍縮表現(xiàn)為一種慢過(guò)程，在形成銀河系的幾十億年時(shí)間內(nèi)，厚盤(pán)先形成，然后再生成薄盤(pán).慢坍縮和快坍縮的觀測(cè)表現(xiàn)應(yīng)該是不同的：前者有足夠時(shí)間在厚盤(pán)中形成垂直銀道面方向上的金屬豐度梯度，而后者則沒(méi)有足夠長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)建立這種梯度，但目前的觀測(cè)資料還不能對(duì)此做出明斷.
隨著星系并合現(xiàn)象(見(jiàn)圖6)的普遍發(fā)現(xiàn)，一種比較流行的觀點(diǎn)認(rèn)為，因銀河系與某個(gè)較小質(zhì)量伴星系的并合，早期形成的薄盤(pán)恒星由于受到劇烈的運(yùn)動(dòng)學(xué)加熱、擴(kuò)散而形成厚盤(pán).這里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(fā)生實(shí)際上的并合，另一種則強(qiáng)調(diào)并不一定要求伴星系直接落入銀盤(pán)中，伴星系與銀河系的密近交會(huì)同樣能形成厚盤(pán).有人通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)［8］，如對(duì)伴星系設(shè)定某個(gè)質(zhì)量范圍，并與銀河系薄盤(pán)以一定的傾角并合，結(jié)果是銀盤(pán)恒星會(huì)形成兩個(gè)服從指數(shù)律的數(shù)密度分布，其中外部成分就是厚盤(pán).
與劇烈并合機(jī)制不同，物質(zhì)的直接吸積是一種慢過(guò)程，而厚盤(pán)的形成便是緩慢吸積過(guò)程的產(chǎn)物.這種機(jī)制認(rèn)為，銀河系本身就是由許多比較小的成分通過(guò)某種隨機(jī)方式形成的，早期形成的薄恒星盤(pán)會(huì)通過(guò)不斷吸積小的伴星系，使薄盤(pán)因受到運(yùn)動(dòng)學(xué)加熱而生成厚盤(pán).不過(guò)有人認(rèn)為，如果把相當(dāng)于盤(pán)質(zhì)量10%—30%的伴星系放在距盤(pán)中心10倍盤(pán)半徑的地方，它們就會(huì)因主星系（銀河系）的潮汐作用而瓦解，因而對(duì)盤(pán)增厚的作用很小.吸積機(jī)制的理論基礎(chǔ)是西爾勒等人的觀點(diǎn)［9］.
在1950年代初就已發(fā)現(xiàn)，恒星運(yùn)動(dòng)的速度彌散度隨著恒星年齡的增長(zhǎng)而變大.進(jìn)一步的工作表明，這一觀測(cè)事實(shí)可以解釋為盤(pán)內(nèi)恒星通過(guò)擴(kuò)散機(jī)制不斷受到運(yùn)動(dòng)學(xué)加熱的結(jié)果［10］.薄盤(pán)中恒星經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)動(dòng)學(xué)擴(kuò)散而到達(dá)高能軌道，并由此形成厚盤(pán)的觀點(diǎn)就是在上述工作的基礎(chǔ)上提出來(lái)的.所謂運(yùn)動(dòng)學(xué)擴(kuò)散，是指原來(lái)在銀道面附近作近圓軌道運(yùn)動(dòng)的恒星，由于某種原因變?yōu)樵谂c銀道面斜交的橢圓軌道上運(yùn)動(dòng).這類(lèi)原因可能有：銀河系旋渦結(jié)構(gòu)對(duì)恒星運(yùn)動(dòng)軌道的擾動(dòng)；分子云對(duì)恒星運(yùn)動(dòng)的散射作用；大質(zhì)量暈天體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中穿越銀盤(pán)時(shí)對(duì)盤(pán)天體運(yùn)動(dòng)的影響等.
在上述各種厚盤(pán)形成機(jī)制中，比較多為人們所接受的是“先薄后厚”的并合機(jī)制，以及可能還有“先厚后薄”的快坍縮機(jī)制.其他“先薄后厚”的形成機(jī)制因與一些重要實(shí)測(cè)結(jié)果不符而受到較多的質(zhì)疑，慢坍縮機(jī)制則基本上已不為人們所關(guān)注.應(yīng)當(dāng)說(shuō)，涉及厚盤(pán)以及星系形成和演化的一些重要問(wèn)題還沒(méi)有完全弄清楚.比如，不同星系中的厚盤(pán)是否會(huì)有不同的形成機(jī)制？一種以上的機(jī)制是否會(huì)在不同的程度上同時(shí)對(duì)厚盤(pán)的形成發(fā)揮作用？等等.
4 結(jié)束語(yǔ)
銀河系形成和演化所涉及的內(nèi)容非常廣泛，非本文所能逐一評(píng)述.隨著許多大型設(shè)備投入有關(guān)的觀測(cè)工作，以及包括整個(gè)電磁波譜的多波段天文觀測(cè)的開(kāi)展，天文學(xué)家取得了海量觀測(cè)數(shù)據(jù)，這對(duì)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(shí)測(cè)結(jié)果需要由理論來(lái)加以解釋?zhuān)?1—14］.在星系天文學(xué)中，銀河系顯然具有不可替代的重要地位.就單個(gè)星系而言，有關(guān)銀河系的觀測(cè)資料最為豐富，由銀河系得出的結(jié)論還可以為探索河外星系的奧秘提供觀測(cè)約束，這正是人們重視銀河系研究的主要原因之一.
那么，未來(lái)銀河系又會(huì)向何處去？
銀河系在宇宙中并不是孤立的，它與鄰近的幾十個(gè)形態(tài)不同的星系構(gòu)成了一個(gè)不太大的星系集團(tuán)，稱(chēng)為本星系群，空間范圍約為650萬(wàn)光年，銀河系和仙女星系是本星系群中最大的兩個(gè)星系.
離銀河系最近的有兩個(gè)質(zhì)量較小的星系，即大、小麥哲倫云，它們繞銀河系轉(zhuǎn)動(dòng)，且有氣體從中逸出，形成長(zhǎng)條形的物質(zhì)流，這是由于銀河系的引力作用而從麥哲倫云中拖曳出來(lái)的.即使麥哲倫云能長(zhǎng)期穩(wěn)定而不被銀河系所吞并，那么也許總有一天其中的物質(zhì)會(huì)流入銀河系，并對(duì)銀河系的結(jié)構(gòu)和演化產(chǎn)生影響.不過(guò)，因?yàn)榇?、小麥哲倫云的總質(zhì)量只有銀河系質(zhì)量的1/20左右，這種影響不大可能使銀河系的總體結(jié)構(gòu)和演化進(jìn)程發(fā)生重大的變化.
銀河系一方面繞著本星系群的質(zhì)心緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，另一方面又以每秒約200km的速度朝著麒麟座方向運(yùn)動(dòng)，并與仙女星系不斷靠近.有人估計(jì)經(jīng)過(guò)幾十億年或更長(zhǎng)的時(shí)間后，這兩個(gè)目前相距240萬(wàn)光年的巨星系最終會(huì)發(fā)生碰撞甚至并合(見(jiàn)圖7).如果這一事件真的發(fā)生，鑒于仙女星系的質(zhì)量約為銀河系的2倍，屆時(shí)銀河系（以及仙女星系）的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部運(yùn)動(dòng)以至演化過(guò)程都會(huì)發(fā)生重大變化.當(dāng)然，并合過(guò)程是十分漫長(zhǎng)的，但具體結(jié)果究竟怎樣，如兩者是否會(huì)合二為一，并生成活動(dòng)星系核，同時(shí)產(chǎn)生各種形式的劇烈活動(dòng)，最終是否會(huì)形成一個(gè)巨橢圓星系，太陽(yáng)在銀河系中的運(yùn)動(dòng)軌道會(huì)發(fā)生多大改變，甚至?xí)粫?huì)影響到地球繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌道以及人類(lèi)后代的生存，等等，這些后果今天當(dāng)然是很難預(yù)測(cè)的.
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