臺北市立天文科學教育館

銀河系的演化歷史可追溯至約 136 億年前。近期，天文學家完成了迄今最為詳細的銀河系演化重建，利用詹姆斯．韋伯太空望遠鏡的資料，分析了 877 個在質量與物理性質上，與銀河系於不同時期外觀高度相符的「銀河系孿生體」。這些星系橫跨廣泛的宇宙時間尺度，使研究團隊得以建立銀河系演化的時間軸。結果顯示，銀河系在年輕時期曾歷經相當劇烈而動盪的階段，之後才逐漸穩定下來，成為我們今日所熟悉、結構分明的成熟螺旋星系。

這批樣本涵蓋從宇宙年齡約 15 億年至 100 億年之間，也就是距今約 123 億年至 38 億年前的關鍵時期。由於光需要時間傳播，觀測距離更遠的星系，等同於回望宇宙更早期的樣貌。研究團隊正是利用這一點，將不同距離、不同年代的「銀河系孿生體」，視為銀河系在不同演化階段的對應樣本，藉此重建其隨時間推進的演化歷程。此次研究所對應的年代，正是銀河系孿生體由早期緊密的恆星集合體，逐步發展出穩定盤狀結構的關鍵轉折期。

圖說：不同紅移下的「銀河系孿生體」觀測影像。紅移（z）表示星系因宇宙膨脹而使光波被拉長的程度，紅移越大，代表星系距離越遠、也存在於越早的宇宙時期。圖中可見銀河系孿生體由早期結構鬆散、不規則的狀態，隨時間逐步發展為具有集中核心與盤狀結構的成熟型態。

研究團隊結合韋伯望遠鏡與哈伯太空望遠鏡的高解析度影像及光譜資料，完成對 877 個早期星系的系統性盤點，並為每個星系建立可解析的恆星質量分布圖與恆星形成率圖，分別用來描繪星系中既有恆星的分布位置，以及新恆星正在形成的區域。結果在整個樣本中展現出一致的趨勢，並指出在這段演化歷程中，銀河系孿生體在大霹靂後約 30 至 40 億年間，最明顯呈現由內而外的成長模式。這些星系最初擁有高度密集的中央區域，隨後透過併合事件與持續的恆星形成，在外圍逐步累積質量，最終形成延展的螺旋結構。

圖說：銀河系前身的質量成長示意圖。此圖依宇宙年齡排列不同時期的「銀河系孿生體」，顯示類銀河系星系如何隨時間逐步累積恆星質量。越靠右側代表宇宙越早期，星系規模較小、結構較為紊亂，恆星數量僅約數億顆；隨著時間推進，星系透過併合與持續的恆星形成快速成長，逐漸發展出穩定的盤狀結構，最終形成今日包含超過一千億顆恆星的銀河系。圖中反映了觀測所揭示的由內而外成長趨勢，以及銀河系早期演化階段的高度動態特性。

另一方面，電腦模擬同樣可用來追蹤銀河系孿生體的演化歷程，其整體結果大致支持由內而外的成長模型。然而，模擬在部分情況下無法重現早期星系所呈現的高度集中核心結構，也低估了外圍區域質量累積的速度。這些差異顯示，實際觀測所揭示的銀河系早期演化過程，仍包含現有模型尚未充分描述的物理機制。觀測結果顯示，銀河系的早期歷史比先前預期更加混亂，星系之間頻繁碰撞並吸積物質，引發劇烈的恆星形成爆發，反映在高度扭曲且不對稱的外形之中。相較之下，較晚宇宙時期的銀河系孿生體則顯得穩定許多。本研究在理解銀河系形成最早階段方面邁出了關鍵一步，未來隨著觀測能力提升，將有助於進一步釐清銀河系孿生體穩定成為盤狀結構的時機與物理機制，逐步建立完整的銀河系演化圖像。（編譯 / 段皓元）

資料來源：York University