□作者: 赵君亮
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银河系是如何形成的，这个问题在现代天体物理研究中有着重要的地位.合理的银河系形成机制，应能对银河系的结构及各种成分（包括星族、星团等）的观测性质做出恰当的解释.不仅如此，有关的主要结论还应在河外星系，特别是在与银河系有同类形态的旋涡星系上得到印证.
天文学家把物质中某类元素含量所占的比例称为该类元素的丰度.宇宙中含量最丰富的元素是氢，约占物质总量的71%；其次是氦，约占27%；其他元素统称为“重元素”或“金属元素”，而全部重元素总的丰度仅在2%左右.氢是宇宙早期即已存在的原初元素，大部分氦生成于大爆炸发生后的3分钟内，因而在原初星际介质和由此生成的第一代恒星中，金属元素丰度极低.另一方面，几乎所有的重元素都是在恒星演化过程中经内部核反应合成的，称为核合成，并通过超新星爆发以及星风等途径送入星际介质.
银河系的化学演化必然与恒星演化密切相关.恒星演化的进程取决于恒星质量，质量越大演化得越快.大质量恒星的演化很快，最快的仅需经过几百万年时间，便以超新星爆发而终其一生.由于银河系年龄超过100亿年，历时几百万年甚至更长的一些过程，相对银河系的一生来说实际上是很短的.这类短时标事件在银河系的整个演化史中会不断出现，其结果是注入星际介质中的重元素不断增多.因此，星际介质以及由星际介质坍缩形成的恒星内的重元素丰度，必然随宇宙年龄的增大而增大，这一过程称为“元素增丰”.显然，在目前存在的恒星中，金属丰度越低年龄越老，它们必定是一些长寿命的小质量恒星，因为大质量恒星早已寿终正寝了；近期诞生的恒星金属丰度就高，它们质量可以有大有小.
1962年，三位美国天文学家艾根（Eggen O J）、林登贝尔（Linden-Bell D）和桑德奇（Sandage A）提出了一种银河系形成的图像，后人称为ELS理论［4］.这种理论认为，银河系形成于一个大致呈球形的巨大原星系云.这个云最初的金属丰度很低，并因引力作用而处于自由下落状态，称为引力坍缩.在坍缩过程中，云的自转速度不断增大，以保持角动量守恒，大部分重元素丰度很低的所谓“贫金属星”和球状星团就是在这一过程中形成的，而目前观测到的这类老年星族II天体具有很扁的运动轨道，便是原星系云自由坍缩的直接结果.又因为坍缩过程进行得很快，期间形成的球状星团便有大致相同的年龄.当云的半径收缩到原星系云半径的十分之一左右时，由于超新星爆发不断出现，云变成富金属态，并逐渐变为扁平状，形成一个由离心力支撑的盘结构.这时银盘及盘族恒星开始形成，并保持这种状态直到今天，盘内恒星较为年轻，金属丰度则比较高.ELS理论可以较好地说明许多重要观测事实，如银河系的总体结构、不同星族恒星的年龄、金属丰度和运动状态等.
观测结果表明，老年球状星团的金属丰度各不相同，且差异较为显著，这一事实给ELS的快坍缩模型带来了如下困难：既然坍缩过程进行得很快，期间元素增丰的效果就不会很明显，不同球状星团的金属丰度应该相差不大.为了解决这一矛盾，1977年西尔勒（Searle L）等提出了另一种不同的银河系形成模型［5］.这种模型的基本观点是，银河系由几十个较小的星系云并合而成，而不是生成于单一的巨原星系云.这些小云块的质量约为108太阳质量，它们各自演化成较小的系统，并相互碰撞、并合，在一种缓慢的坍缩过程中，最终形成银河系.由于在同一时间段内不同小星系内部的增丰情况各不相同，从而较好地解释了球状星团在金属丰度上的差异.西尔勒模型称为慢坍缩模型，以区别于ELS的快坍缩模型.后来的一些数值模拟工作表明，小星系确实会通过相互并合形成更大的系统，从而支持了西尔勒模型.不过，银河系纯粹由大量小星系并合而成的机制很难解释银盘的形成，为做到这一点，必须对并合的具体方式加以严格的限定，如小星系在并合过程中应取适当的运动路径等，而这显然很不现实.还有，尽管对银河系核球的起源仍很不明晰，但是构成核球的物质很可能是以气体，而不是以恒星的形式并入银河系，对这一点的解释ELS模型显得更为自然.
近年来的不少观测研究表明，宇宙中星系的并合和吸积现象确实存在，如银河系曾经吸积了一些球状星团和晕族恒星.又如，离银河系最近的河外星系——大麦哲伦星云，正在不断地朝着银河系旋进，预期最终可能会被银河系吞并，届时大麦哲伦星云中的球状星团便自然成为银河系的成员.看来，银河系的形成和演化机制应该是比较复杂的，很可能既取决于银河系的内部过程——坍缩，又涉及外部因素——吸积和并合.
3 厚盘发现带来的问题
除了尚不十分明确的暗晕部分外，银河系物质主要以恒星形式出现，并集中分布在银盘中.在银道面附近，恒星数密度（单位体积内的恒星个数）最高，随着恒星到银道面距离（银面距）的增大，恒星数密度逐渐降低.通常认为，恒星数密度ν随银面距z的变化规律，即函数ν(z)大体上具有指数分布形式：ν(z)=ν0e-z/h，其中的e=2.7182…为自然对数底，ν0是银道面上（即z=0处）的恒星数密度，而h称为标高.标高的物理含意是，银面距每增大h秒差距，恒星的数密度便减小到1/e倍.如何利用实测资料确定函数中ν0和h的具体数值，是研究银河系恒星分布的重要内容之一.自赫歇尔以来的近200年内，天文界一直认为银盘中恒星在垂直银道面方向上只具有单一的指数分布结构.
1983年，英国天文学家吉尔莫（Gilmore N）和莱德（Reid G）经过对12,500颗恒星的观测资料进行详细分析后首次明确提出［6］，银盘中的恒星并不仅有单一的成分，而是可以分属于两种形态不同的结构，或者说恒星在垂直银道面方向上的分布需要用2个不同的指数成分——薄盘和厚盘来表述(见图5).在银面距z≤1000pc(秒差距)的范围内，恒星可以用一个指数分布来描述，标高约为300 pc, 这就是薄盘，也就是原来意义上的银盘.在银面距z=1000—5000pc范围内的恒星主要属于第二个指数成分，标高约为1450pc, 称为厚盘.不过，构成薄盘和厚盘的恒星在空间分布上是互相套叠在一起，其间并没有任何使之一分为二的边界，这正是厚盘结构在20多年前才被确认的主要原因之一.具体来说，在银道面附近，主要是薄盘恒星，属于厚盘的恒星甚少，如在太阳附近厚盘恒星约只占恒星总数的2%.由于薄盘恒星分布的标高只及厚盘标高的五分之一，随着银面距的增大，薄盘恒星的数密度相对厚盘恒星迅速减小，在远离银道面的地方,厚盘恒星便很快占据上风.
恒星分布ν(z)不能用单一指数律来表述,这可以有两种物理解释：即银河系只有单一盘，而ν(z)为非指数分布；或者，同时存在薄盘和厚盘，且两个盘均表现为指数分布.但是，没有任何理由认定ν(z)必然具有指数形式，并对实测结果用存在两个盘来加以解释，除非能证明组成两个盘的恒星具有明显不同的内禀性质（比如年龄或金属丰度等）.
后来的一些研究表明，属于薄盘和厚盘的恒星，确实在物理和运动学性质上有着明显的差异.厚盘恒星的年龄不小于80亿年，绝大部分大于100亿年，而薄盘恒星的年龄则普遍小于80亿年.在化学组成上，厚盘恒星的金属丰度比较低，而薄盘恒星的金属丰度比较高.在运动学状态方面，与厚盘相比，薄盘恒星绕银心的转动速度比较大，但不同恒星之间的速度弥散度比较小，显得较为“步调一致”.
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