《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：Revisiting the Radial Metallicity Gradient-Age Relation in the Milky Way’s Thin and Thick Disks
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本研究针对银河系薄盘与厚盘化学演化路径差异这一关键问题，利用LAMOST DR8光谱数据结合星震学校准的恒星年龄，系统研究了径向金属丰度梯度随年龄的变化关系（MGAR）。结果表明薄盘MGAR随年龄增长持续平坦化（平坦化速率约0.0016 dex kpc-1Gyr-1），而厚盘在所有年龄区间均呈现轻微正梯度（约0.013 dex kpc-1）。这些发现为区分径向迁移主导与气体混合主导的星系形成模型提供了关键观测约束，深化了对银河系双盘结构形成机制的理解。
在广袤的宇宙中，像我们银河系这样的盘星系通常展现出一种有趣的化学特征：从星系中心向外，恒星的金属含量（天文学中指比氢和氦重的元素比例）逐渐降低，这被称为负径向金属丰度梯度。这种梯度犹如星系的“化学指纹”，记录着其内部恒星形成和物质演化的历史。传统的“由内而外”形成模型认为，星系内部区域率先快速形成恒星并富集金属，外部区域随后缓慢跟进，自然形成了中心金属丰度高、外围金属丰度低的格局。
然而，这个看似简单的图像背后隐藏着复杂的物理过程。特别是当科学家们开始关注金属丰度梯度如何随恒星年龄变化时——即金属丰度梯度-年龄关系（Metallicity Gradient-Age Relation, MGAR）——更深的谜团浮出水面。年轻恒星是否继承了更陡的梯度？年老恒星的梯度是否更加平坦？这些问题直接关系到我们对星系形成机制的理解。更复杂的是，银河系拥有薄盘和厚盘两个结构成分，它们可能经历了完全不同的形成历史，这就需要分别研究它们的MGAR以揭示各自的演化路径。
近期研究指出，薄盘的金属丰度梯度确实随恒星年龄增长而逐渐平坦化，而厚盘则表现出完全不同的行为——在所有年龄区间都维持轻微的正面梯度。这些发现引发了激烈讨论：薄盘的平坦化主要是由恒星在盘面上的径向迁移（特别是所谓的“搅动”机制）引起的，还是反映了星际介质（ISM）金属丰度梯度本身随时间演化的结果？而厚盘的正面梯度又暗示了怎样的早期形成环境？是强烈的恒星反馈将金属向外驱逐，还是早期盘体的湍流状态抹平了任何初始梯度？
为了解决这些争议，由上海交通大学Ao Chen领衔的研究团队在《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》上发表了最新研究。他们利用我国郭守敬望远镜（LAMOST）第八次数据释放（DR8）的大规模光谱数据，结合开普勒卫星提供的星震学年龄校准，对银河系薄盘和厚盘的MGAR进行了系统性的重新审视。这项研究不仅提供了更精确的观测约束，还为区分不同的星系形成模型带来了新的见解。
研究人员为开展这项研究采用了几个关键技术方法：首先，他们从LAMOST DR8的986,405颗恒星中通过严格的质量筛选（信噪比SNR>20、年龄不确定度<30%等）获得包含246,671颗恒星的洁净样本；其次，他们结合化学切割（[α/Fe]-[Fe/H]双序列）和几何切割（最大垂直偏移Zmax）来分离“纯净”的薄盘（18,363颗）和厚盘（24,210颗）样本；最后，他们使用引导中心半径Rg（通过galpy软件包计算）而非当前半径来最小化轨道模糊效应，并采用加权最小二乘法拟合九个等宽年龄区间的径向金属丰度梯度。
薄盘的金属丰度梯度-年龄关系
研究发现薄盘的金属丰度梯度随年龄增加呈现单调平坦化趋势。最年轻恒星（约10亿年）的梯度为-0.07 dex kpc-1，与先前研究一致，而随年龄增长，梯度以约0.0016 dex kpc-1Gyr-1的速率平坦化。这一趋势与Vickers等人（2021）的研究结果大体一致，但平坦化速率较低。研究还发现低Zmax（垂直偏移小）的恒星对平坦化贡献最大，这可能是因为这些在垂直方向上“较冷”的轨道更易发生径向迁移。
厚盘的金属丰度梯度-年龄关系
厚盘在所有年龄区间均显示正梯度，平均值约为0.013 dex kpc-1。有趣的是，梯度值在约54亿年时达到峰值（约0.019 dex kpc-1），但在更年轻的年龄区间出现平坦化。分析表明，年轻厚盘中存在一批位于大引导半径（Rg>10 kpc）的金属贫乏恒星，这部分恒星倾向于压制正梯度。移除这些恒星后，厚盘梯度值升至约0.02 dex kpc-1，但整体的MGAR趋势保持不变。
与不同理论模型的比较
研究将观测到的薄盘MGAR与两种主要理论模型预测的恒星诞生梯度进行了对比。一方面，基于Rbirth方法重建的诞生梯度显示，随着回溯时间增加（恒星年龄变老），诞生梯度显著变陡。这与观测到的平坦化MGAR形成鲜明对比，尤其是在老年龄区间（约100亿年），两者差异可达0.08 dex kpc-1以上。这种随年龄增长而加大的分歧，被解释为径向迁移累积效应的有力证据——老年恒星有更长时间从诞生位置迁移开来，从而显著平坦化了它们当前的金属丰度分布。
另一方面，与FIRE2宇宙学模拟的对比呈现了不同图景。这些模拟预测的诞生梯度（及MGAR）比观测结果平坦得多，且模拟中MGAR与诞生梯度高度一致，表明其中径向迁移效应很弱。然而，作者指出FIRE2模拟中棒旋结构较弱可能导致其对径向迁移的估计不足。同时，与Sharda等人的解析模型比较显示，观测MGAR在年龄≥30亿年时与φy=1.0（表示金属保留效率高）的模型预测相符，但在更年轻年龄存在偏离，可能源于晚期气体吸积的稀释效应。
厚盘正梯度的起源探讨
对于厚盘存在的轻微正梯度，研究提出了几种可能解释。早期银河系处于富气体、高湍流的动荡环境中，强烈的恒星反馈（如星暴驱动的外流）可能将金属从内区携带至外区，导致外区早期增丰。此外，原始气体向银河系中心的早期吸积也可能促使中心区域金属稀释，共同形成正梯度。另一种可能是，厚盘最初并无径向梯度，其形成过程中的剧烈扰动（如巨团块的形成和动力学加热）抹平了任何初始的化学动力学关系。观测到的梯度随年龄的轻微变化，则可能反映了厚盘内部恒星迁移的后续影响。
本研究通过精确观测确认了银河系薄盘和厚盘截然不同的金属丰度梯度-年龄关系。薄盘MGAR的单调平坦化特征，以及其与重建诞生梯度、不同理论模型预测的系统对比，突显了径向迁移在塑造薄盘当前化学结构中的重要作用，同时也表明星际介质梯度自身的时间演化不容忽视。厚盘普遍存在的轻微正梯度，则揭示了银河系早期演化环境的特殊性，可能与强烈的反馈过程或湍流混合有关。这些精细的观测结果为下一代银河系化学演化模型提供了关键约束，强调了在理解星系形成过程中，必须同时考虑薄盘和厚盘可能经历的截然不同的演化路径。未来，结合更大样本、更精确年龄数据以及更真实的化学动力学模拟，将有望最终揭示银河系双盘结构的完整形成历史。
