近日，北京大学物理学院天文学系、北京大学科维理天文与天体物理研究所与中国科学院大学、国家天文台合作，利用银河系厚盘与Splash 星族的年龄分布，提出了一种测定盖亚-香肠-恩克拉多斯（Gaia-Sausage-Enceladus,GSE）并合时间的新方法。研究团队发现，Splash 星族看起来比其可能的“母体”厚盘更老，并不一定意味着二者的形成历史相互矛盾，而很可能是并合事件与恒星年龄测量误差共同造成的一种观测偏差。在此基础上，团队将GSE并合时间约束在距今约101亿年前，不确定度约为2亿年，这是目前对这一事件发生时间最为严格的时间约束。
相关成果已在《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters,ApJL）正式发表。论文第一作者为鲁思汗博士研究生，黄样副教授和张华伟教授为共同通讯作者，冯齐康作为第三作者参与了该项研究。论文链接：点击这里。
银河系成长史上的一次关键碰撞
今天的银河系看似平静，但它的成长史中曾发生过多次吸积与并合。其中，GSE 并合被广泛认为是银河系经历的最后一次主并合事件，也是塑造银河系恒星晕和早期银盘结构的关键过程之一。
大约百亿年前，一个质量可观的矮星系落入早期银河系并被撕裂。这个矮星系留下的恒星在速度空间中呈现出狭长的“香肠”形分布，因此得名“盖亚-香肠-恩克拉多斯”。这场相遇不仅将外来恒星带入银河系，也剧烈扰动了当时已经存在的银盘。一部分原本沿近圆轨道运动的盘星被“溅射”（“Splash”）到角动量更低、更加接近恒星晕的轨道上，形成了被称为“Splash”的星族。
确定这次并合究竟发生在何时，是重建银河系早期演化时间线的关键。以往研究依据恒星运动、化学丰度与恒星年龄的关系，或者寻找与GSE 并合相关的球状星团，通常将并合时间放在距今约80 亿至110 亿年前，但允许范围仍然较宽。
银河一个反常线索：Splash为何比厚盘更老？
如果Splash 星族主要由GSE 并合加热早期厚盘而形成，那么它们在并合发生之前本应属于同一个恒星群体。然而观测却显示，Splash 的年龄分布整体比厚盘更偏向年老的一侧：其分布峰值也略早于厚盘恒星形成历史的峰值。
这带来了一个看似矛盾的问题：由厚盘恒星“飞溅”而来的星族，为什么反而比厚盘更老？
图1｜厚盘与Splash 星族的年龄分布。两类恒星大多形成于距今100 亿年以上；相比厚盘，Splash 在最年老年龄段所占的比例更高，其年龄分布峰值也略向年老一侧偏移。
被“剪掉一侧”的山峰
研究团队指出，答案可能不在恒星真正的年龄差异中，而隐藏在年龄分布的形状和测量误差之间。
可以把厚盘恒星的年龄分布想象成一座山峰。GSE 并合发生之前，不同年龄的厚盘恒星都有机会被加热到Splash 轨道；并合结束后，新形成的厚盘恒星便无法再参加这次早已结束的“飞溅”。因此，Splash 的内禀年龄分布在并合时刻被截断，年轻的一侧像是被剪掉了一部分，而厚盘此后仍可继续形成恒星。
恒星年龄测量不可避免地存在误差。对于一座两侧较完整、近似对称的“山峰”，测量误差会把分布磨得更平滑，却不会明显移动峰顶；但对于年轻一侧已被截断的Splash 分布，同样的误差会产生不对称的模糊效果，把观测到的峰值系统性地推向更年老的一侧。在天文学中，这样的偏差我们称之为“爱丁顿偏差效应”。
换句话说，Splash 看起来更老，未必是因为它真的更早于厚盘形成，而可能是“并合截断”与“年龄误差”共同制造的年龄错觉。更重要的是，峰值偏移的大小同时取决于厚盘的恒星形成历史和GSE 并合发生的时刻，因此反过来可以成为一只测量并合时间的“时钟”。
图2｜Splash 年龄分布峰值偏移的形成机制示意图。并合发生前，Splash（蓝线）与同时期厚盘恒星（橙线）具有相同的内禀年龄分布；并合将Splash 分布的年轻一侧截断。加入年龄测量误差后，截断分布的峰值向更年老的方向移动（绿线）。在这一模型中，不同的并合时刻会留下不同大小的峰值间隔
锁定GSE 并合时间
研究使用了Xiang & Rix（2022）构建的亚巨星年龄星表。该星表结合LAMOST DR7 光谱数据与Gaia EDR3 天体测量数据，包含近25 万颗亚巨星。亚巨星是测定恒星年龄的理想“时钟”：星表中73% 的恒星年龄相对误差小于10%。
根据前面揭示的机制，团队以观测到的年龄分布为基础，依次设定不同的GSE 并合时刻，在每一种情形下截断Splash 的本征年龄分布，再加入与现有观测相当的年龄误差，来计算模型预期的峰值偏移。由此，并合时刻与峰值偏移之间建立起了对应关系，并可以直接与观测结果比较。
为了把恒星年龄的测量误差完整地传递到最终结果中，研究人员按照每颗恒星的观测误差进行了10,000 次蒙特卡洛抽样，在每次抽样中重新确定厚盘和Splash 的年龄峰值及二者之差。将模型给出的“并合时间—峰值偏移”关系与观测到的峰值差及其不确定度相结合，团队最终将GSE 并合时间限定为距今101± 2亿年。
图3｜由年龄峰值偏移联合约束GSE 并合时间。绿色区域表示不同并合时刻在蒙特卡洛模拟中产生的峰值偏移，橙色区域表示观测约束；二者重叠给出与数据相容的参数范围。上方曲线为并合时间的后验概率分布，最优结果约为距今101 亿年前。
从“误差”中读出银河系历史
这项研究将GSE 并合时间约束到距今101±2亿年，比以往研究的时间精度提高了约5-10倍，是目前对这次并合事件最严格的时间限制之一。这一时间节点，为银河系从剧烈吸积阶段转向相对平静演化提供了更精确的时间锚点。
研究团队同时强调，这一精确数值应在论文采用的模型框架内理解。将厚盘恒星形成历史近似为高斯分布，并把并合视为一次瞬时截断事件；同时采用了Splash 主要由GSE 加热厚盘形成的标准图景。早期银盘中的大质量团块散射、恒星出生于动力学热轨道以及银河系棒共振等过程，也可能产生类似Splash 的星族。
这项工作不仅给出了更精确的并合时间，也展示了统计方法的优势：即使单颗恒星的年龄测量仍有约10% 的误差，大样本的整体分布仍能将一次百亿年前并合事件的时间确定到约2 亿年的精度。此外，测量误差通常被视为需要尽量消除的“噪声”；这项研究则表明，当一个物理事件改变了星族分布的形状时，误差对分布的系统性“重塑”也可以转化为可测量的信号。由此，恒星年龄分布为研究古老并合事件提供了一种新的、独立的时间标尺。
更重要的是，团队提供了一套可以随数据持续改进的模型框架，将可观测的年龄峰值偏移转化为对并合时间的精确限制。未来，随着Gaia DR4 以及大规模星震学巡天带来更精确的恒星年龄、更完整的运动信息和更纯净的星族样本，这一方法有望给出更严格的结果，并帮助天文学家把银河系早期成长史的关键节点刻画得更加清晰。
国家天文科学数据中心为天文观测设备和研究计划提供数据与技术服务。
新闻来源：LAMOST之声