天文學(xué)家把物質(zhì)中某類元素含量所占的比例稱為該類元素的豐度.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程中經(jīng)內(nèi)部核反應(yīng)合成的，稱為核合成，并通過超新星爆發(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)過幾百萬年時間，便以超新星爆發(fā)而終其一生.由于銀河系年齡超過100億年，歷時幾百萬年甚至更長的一些過程，相對銀河系的一生來說實際上是很短的.這類短時標事件在銀河系的整個演化史中會不斷出現(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，這一過程稱為“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，它們必定是一些長壽命的小質(zhì)量恒星，因為大質(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，后人稱為ELS理論［4］.這種理論認為，銀河系形成于一個大致呈球形的巨大原星系云.這個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)，稱為引力坍縮.在坍縮過程中，云的自轉(zhuǎn)速度不斷增大，以保持角動量守恒，大部分重元素豐度很低的所謂“貧金屬星”和球狀星團就是在這一過程中形成的，而目前觀測到的這類老年星族II天體具有很扁的運動軌道，便是原星系云自由坍縮的直接結(jié)果.又因為坍縮過程進行得很快，期間形成的球狀星團便有大致相同的年齡.當云的半徑收縮到原星系云半徑的十分之一左右時，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?，形成一個由離心力支撐的盤結(jié)構(gòu).這時銀盤及盤族恒星開始形成，并保持這種狀態(tài)直到今天，盤內(nèi)恒星較為年輕，金屬豐度則比較高.ELS理論可以較好地說明許多重要觀測事實，如銀河系的總體結(jié)構(gòu)、不同星族恒星的年齡、金屬豐度和運動狀態(tài)等. 
　　觀測結(jié)果表明，老年球狀星團的金屬豐度各不相同，且差異較為顯著，這一事實給ELS的快坍縮模型帶來了如下困難：既然坍縮過程進行得很快，期間元素增豐的效果就不會很明顯，不同球狀星團的金屬豐度應(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是，銀河系由幾十個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108太陽質(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程中，最終形成銀河系.由于在同一時間段內(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在金屬豐度上的差異.西爾勒模型稱為慢坍縮模型，以區(qū)別于ELS的快坍縮模型.后來的一些數(shù)值模擬工作表明，小星系確實會通過相互并合形成更大的系統(tǒng)，從而支持了西爾勒模型.不過，銀河系純粹由大量小星系并合而成的機制很難解釋銀盤的形成，為做到這一點，必須對并合的具體方式加以嚴格的限定，如小星系在并合過程中應(yīng)取適當?shù)倪\動路徑等，而這顯然很不現(xiàn)實.還有，盡管對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，對這一點的解釋ELS模型顯得更為自然. 
　　近年來的不少觀測研究表明，宇宙中星系的并合和吸積現(xiàn)象確實存在，如銀河系曾經(jīng)吸積了一些球狀星團和暈族恒星.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，預(yù)期最終可能會被銀河系吞并，屆時大麥哲倫星云中的球狀星團便自然成為銀河系的成員.看來，銀河系的形成和演化機制應(yīng)該是比較復(fù)雜的，很可能既取決于銀河系的內(nèi)部過程——坍縮，又涉及外部因素——吸積和并合. 
　　 
　　3 厚盤發(fā)現(xiàn)帶來的問題 
　　 
　　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)，并集中分布在銀盤中.在銀道面附近，恒星數(shù)密度（單位體積內(nèi)的恒星個數(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)=ν0e-z/h，其中的e=2.7182…為自然對數(shù)底，ν0是銀道面上（即z=0處）的恒星數(shù)密度，而h稱為標高.標高的物理含意是，銀面距每增大h秒差距，恒星的數(shù)密度便減小到1/e倍.如何利用實測資料確定函數(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.自赫歇爾以來的近200年內(nèi)，天文界一直認為銀盤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，英國天文學(xué)家吉爾莫（Gilmore N）和萊德（Reid G）經(jīng)過對12,500顆恒星的觀測資料進行詳細分析后首次明確提出［6］，銀盤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)，或者說恒星在垂直銀道面方向上的分布需要用2個不同的指數(shù)成分——薄盤和厚盤來表述(見圖5).在銀面距z≤1000pc(秒差距)的范圍內(nèi)，恒星可以用一個指數(shù)分布來描述，標高約為300 pc, 這就是薄盤，也就是原來意義上的銀盤.在銀面距z=1000—5000pc范圍內(nèi)的恒星主要屬于第二個指數(shù)成分，標高約為1450pc, 稱為厚盤.不過，構(gòu)成薄盤和厚盤的恒星在空間分布上是互相套疊在一起，其間并沒有任何使之一分為二的邊界，這正是厚盤結(jié)構(gòu)在20多年前才被確認的主要原因之一.具體來說，在銀道面附近，主要是薄盤恒星，屬于厚盤的恒星甚少，如在太陽附近厚盤恒星約只占恒星總數(shù)的2%.由于薄盤恒星分布的標高只及厚盤標高的五分之一，隨著銀面距的增大，薄盤恒星的數(shù)密度相對厚盤恒星迅速減小，在遠離銀道面的地方,厚盤恒星便很快占據(jù)上風(fēng). 
　　 
　　恒星分布ν(z)不能用單一指數(shù)律來表述,這可以有兩種物理解釋：即銀河系只有單一盤，而ν(z)為非指數(shù)分布；或者，同時存在薄盤和厚盤，且兩個盤均表現(xiàn)為指數(shù)分布.但是，沒有任何理由認定ν(z)必然具有指數(shù)形式，并對實測結(jié)果用存在兩個盤來加以解釋，除非能證明組成兩個盤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）. 
　　后來的一些研究表明，屬于薄盤和厚盤的恒星，確實在物理和運動學(xué)性質(zhì)上有著明顯的差異.厚盤恒星的年齡不小于80億年，絕大部分大于100億年，而薄盤恒星的年齡則普遍小于80億年.在化學(xué)組成上，厚盤恒星的金屬豐度比較低，而薄盤恒星的金屬豐度比較高.在運動學(xué)狀態(tài)方面，與厚盤相比，薄盤恒星繞銀心的轉(zhuǎn)動速度比較大，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，厚盤的存在已經(jīng)為人們所普遍接受，并進行了深入的研究［7］，這樣一來原來關(guān)于銀河系結(jié)構(gòu)的3成分（核球+銀盤+銀暈）模型，應(yīng)代之以四成分（核球+薄盤+厚盤+銀暈）模型.在更為細致的研究中，薄盤恒星更進一步區(qū)分為年輕薄盤和老年薄盤兩種成分.其中老年薄盤就是原來意義上的薄盤，而年輕薄盤恒星的空間分布更要“薄”一些，標高僅為100pc.在太陽附近，屬于年輕薄盤的僅占薄盤恒星的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)盤狀結(jié)構(gòu)，這就是氣體盤.由此可見，銀河系物質(zhì)的盤狀結(jié)構(gòu)頗為復(fù)雜. 

　　厚盤結(jié)構(gòu)并非只見之于銀河系，在其他一些旋渦星系中也已發(fā)現(xiàn)了存在厚盤的觀測證據(jù)，這說明至少對部分星系來說，厚盤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)必然與星系演化過程密切相關(guān).  
　　自厚盤發(fā)現(xiàn)以來，人們提出了若干種不同的厚盤形成機制，以解釋厚盤和厚盤恒星的各種觀測性質(zhì)，如薄盤和厚盤依次形成的坍縮機制，銀河系與伴星系交會或并合使銀盤增厚，早期銀盤對物質(zhì)的直接吸積，以及薄盤天體的運動學(xué)擴散等.這些機制可分為“先厚后薄”和“先薄后厚”兩大類，其中坍縮理論屬于“先厚后薄”機制，其余幾種則都可歸于“先薄后厚”機制.鑒于問題的復(fù)雜性，以及新觀測資料的不斷涌現(xiàn)，天文學(xué)家的認識還沒有取得完全一致.往往是一種機制能說明某些觀測特征，但卻不能解釋另一些觀測特征. 
　　坍縮機制認為，厚盤和薄盤是銀河系在演化過程中相繼形成的兩種結(jié)構(gòu).先是通過坍縮形成厚盤，剩余氣體因進一步內(nèi)落而形成薄盤.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程.快坍縮機制的理論基礎(chǔ)是ELS模型，厚盤形成經(jīng)歷的時間大約只有4億年，薄盤在這之后形成，歷時6億年.慢坍縮機制認為，由于氣態(tài)物質(zhì)的壓力支撐作用，引力坍縮表現(xiàn)為一種慢過程，在形成銀河系的幾十億年時間內(nèi)，厚盤先形成，然后再生成薄盤.慢坍縮和快坍縮的觀測表現(xiàn)應(yīng)該是不同的：前者有足夠時間在厚盤中形成垂直銀道面方向上的金屬豐度梯度，而后者則沒有足夠長的時間來建立這種梯度，但目前的觀測資料還不能對此做出明斷.  
　　隨著星系并合現(xiàn)象(見圖6)的普遍發(fā)現(xiàn)，一種比較流行的觀點認為，因銀河系與某個較小質(zhì)量伴星系的并合，早期形成的薄盤恒星由于受到劇烈的運動學(xué)加熱、擴散而形成厚盤.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)生實際上的并合，另一種則強調(diào)并不一定要求伴星系直接落入銀盤中，伴星系與銀河系的密近交會同樣能形成厚盤.有人通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)［8］，如對伴星系設(shè)定某個質(zhì)量范圍，并與銀河系薄盤以一定的傾角并合，結(jié)果是銀盤恒星會形成兩個服從指數(shù)律的數(shù)密度分布，其中外部成分就是厚盤. 
　　 
　　與劇烈并合機制不同，物質(zhì)的直接吸積是一種慢過程，而厚盤的形成便是緩慢吸積過程的產(chǎn)物.這種機制認為，銀河系本身就是由許多比較小的成分通過某種隨機方式形成的，早期形成的薄恒星盤會通過不斷吸積小的伴星系，使薄盤因受到運動學(xué)加熱而生成厚盤.不過有人認為，如果把相當于盤質(zhì)量10%—30%的伴星系放在距盤中心10倍盤半徑的地方，它們就會因主星系（銀河系）的潮汐作用而瓦解，因而對盤增厚的作用很小.吸積機制的理論基礎(chǔ)是西爾勒等人的觀點［9］.  
　　在1950年代初就已發(fā)現(xiàn)，恒星運動的速度彌散度隨著恒星年齡的增長而變大.進一步的工作表明，這一觀測事實可以解釋為盤內(nèi)恒星通過擴散機制不斷受到運動學(xué)加熱的結(jié)果［10］.薄盤中恒星經(jīng)過長時間的運動學(xué)擴散而到達高能軌道，并由此形成厚盤的觀點就是在上述工作的基礎(chǔ)上提出來的.所謂運動學(xué)擴散，是指原來在銀道面附近作近圓軌道運動的恒星，由于某種原因變?yōu)樵谂c銀道面斜交的橢圓軌道上運動.這類原因可能有：銀河系旋渦結(jié)構(gòu)對恒星運動軌道的擾動；分子云對恒星運動的散射作用；大質(zhì)量暈天體在運動過程中穿越銀盤時對盤天體運動的影響等. 
　　在上述各種厚盤形成機制中，比較多為人們所接受的是“先薄后厚”的并合機制，以及可能還有“先厚后薄”的快坍縮機制.其他“先薄后厚”的形成機制因與一些重要實測結(jié)果不符而受到較多的質(zhì)疑，慢坍縮機制則基本上已不為人們所關(guān)注.應(yīng)當說，涉及厚盤以及星系形成和演化的一些重要問題還沒有完全弄清楚.比如，不同星系中的厚盤是否會有不同的形成機制？一種以上的機制是否會在不同的程度上同時對厚盤的形成發(fā)揮作用？等等. 
　　 
　　4 結(jié)束語 
　　 
　　銀河系形成和演化所涉及的內(nèi)容非常廣泛，非本文所能逐一評述.隨著許多大型設(shè)備投入有關(guān)的觀測工作，以及包括整個電磁波譜的多波段天文觀測的開展，天文學(xué)家取得了海量觀測數(shù)據(jù)，這對深入研究銀河系、星系的形成和演化提供了極為寶貴的資料，也提出了更多的實測結(jié)果需要由理論來加以解釋［11—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.就單個星系而言，有關(guān)銀河系的觀測資料最為豐富，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，未來銀河系又會向何處去？ 
　　銀河系在宇宙中并不是孤立的，它與鄰近的幾十個形態(tài)不同的星系構(gòu)成了一個不太大的星系集團，稱為本星系群，空間范圍約為650萬光年，銀河系和仙女星系是本星系群中最大的兩個星系. 
　　離銀河系最近的有兩個質(zhì)量較小的星系，即大、小麥哲倫云，它們繞銀河系轉(zhuǎn)動，且有氣體從中逸出，形成長條形的物質(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的.即使麥哲倫云能長期穩(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)會流入銀河系，并對銀河系的結(jié)構(gòu)和演化產(chǎn)生影響.不過，因為大、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，另一方面又以每秒約200km的速度朝著麒麟座方向運動，并與仙女星系不斷靠近.有人估計經(jīng)過幾十億年或更長的時間后，這兩個目前相距240萬光年的巨星系最終會發(fā)生碰撞甚至并合(見圖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，屆時銀河系（以及仙女星系）的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部運動以至演化過程都會發(fā)生重大變化.當然，并合過程是十分漫長的，但具體結(jié)果究竟怎樣，如兩者是否會合二為一，并生成活動星系核，同時產(chǎn)生各種形式的劇烈活動，最終是否會形成一個巨橢圓星系，太陽在銀河系中的運動軌道會發(fā)生多大改變，甚至?xí)粫绊懙降厍蚶@太陽的運動軌道以及人類后代的生存，等等，這些后果今天當然是很難預(yù)測的. 
　　 
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