研究背景
图 1. 侧向盘星系的艺术示意图。
厚盘最早在 20 世纪 70 年代末于侧向透镜星系中被识别为一种弥散的恒星结构成分，其性质明显不同于核球和薄盘。随后，人们在银河系中也通过恒星计数观测确认了厚盘的存在，由此建立了盘星系由薄盘与厚盘两部分组成的基本框架（图 1）。
现有研究表明，银河系盘的形成大致经历了两个主要的相对独立的阶段：薄盘的标高值较小，主要由年轻恒星组成，形成于过去数十亿年中较为平稳的恒星形成过程；而厚盘的标高值更大，以年老且富金属的恒星为主，更可能形成于宇宙早期的快速、剧烈恒星形成阶段。进一步的观测也显示，厚盘几乎普遍存在于近邻盘星系中，说明其形成是盘星系演化过程中的常见现象。
然而，厚盘的物理起源至今仍存在争议。一种观点认为，厚盘形成于早期宇宙高湍动、富气体的环境中，并且一旦形成便已具有较大的厚度，或在形成后的短时间内迅速增厚；另一种观点则认为厚盘可能由原本较薄的盘在后期通过小质量并合、动力学加热或内部长期演化过程逐渐增厚形成。厘清这些机制，需要在更大的宇宙时间尺度上追踪盘星系垂直结构的演化规律。
在 HST 时代，受限于观测深度、空间分辨率及波段覆盖，盘星系的垂直结构难以被可靠解析。近年来，JWST 在近红外波段展现出的高灵敏度与高分辨率显著推动了高红移盘星系研究，不仅揭示了宇宙早期已存在大量规则盘结构，也使得在高红移条件下系统测量盘厚度成为可能。然而，现有 JWST 相关研究通常样本规模有限，且均采用单一波段，然而其对应的静止系波长随红移变化，导致测量结果可能受到尘埃消光以及恒星族群空间变化的系统性偏差影响。
研究的主要内容和结果
为研究盘星系垂直结构的形成与演化，我们利用 JWST COSMOS-Web 巡天数据，在红移 0<z<3.5 范围内选取了 2631 个侧向盘星系（恒星质量 M∗>1010M⨀），使用 sech2 函数来测量盘的整体标高。这里的“整体标高”指的是对整个盘的垂直厚度进行量化；当星系同时存在薄盘和厚盘时，这个策略对两者进行平均给出一个整体的厚度。
我们发现，在较短的静止系波长下，由于尘埃对中平面的光的消减，测得的标度高度会被系统性高估。因此，我们统一采用静止系 1 μm 的波长作为测量基准，以避免不同波段带来的系统偏差。随后，我们进一步采用一种新的、更精确的修正方法，以校正盘偏离理想侧向朝向时投影效应所引入的系统性高估偏差。
投影效应还会产生“伪外翘”。为此，我们首先分析了盘厚度随半径的变化，发现其径向趋势与“无真实外翘”的盘在投影效应下所产生的预测结果一致（图 2）。因此，宇宙中的盘星系整体上大多不呈现显著外翘，这表明能够引发真实盘外翘的次并合并非盘增厚的主要机制。
图 2. 红移 0<z≤1（左）与 1<z≤3.5（右）星系的归一化标高的径向分布。带误差棒的黑点表示中位数及弥散。
蓝色实线表示由残余 PSF 效应以及偏离理想侧向朝向的中位倾角共同导致的伪增厚。
在完成偏差修正后，我们得到盘厚度随红移的演化趋势。如图 3 的黑色数据点所示，盘的中位标度高度从z=3.25 时的 0.56±0.03 kpc 增加到 z=1.25 时的 0.84±0.04 kpc，随后又下降到 z=0.25 时的 0.67±0.06 kpc。
图 3. 经过偏差校正的盘厚度的红移演化以及与先前研究的比较。为清晰起见，误差棒已省略。
这些结果表明，今天厚盘的高红移前身并不是一个典型的“薄盘”或“厚盘”，而更像是一种厚度居中的盘结构：其垂直方向并不特别厚，但动力学上较为“热”（速度弥散较大），且具有较高的质量面密度。
我们提出一演化模型（图 4），认为高红移的这种“中等厚度盘”为单一结构成分的盘系统，其垂直标高的增长主要来源于质量面密度随时间降低以及（或）剧烈的引力不稳定过程，最终演化形成厚盘。与此同时，薄盘的增长大约从 z≈2 开始，z≲1 后逐渐占据主导，使得盘的垂直结构变得更加紧致，从而导致盘的整体厚度从 z≈1 演化到 z≈0 的过程中持续减小。这一模型推算薄盘的质量占比从 z=1 时的0.1±0.03 增加到 z=0 时的 0.6±0.1。所推算的红移 z=0 的薄盘质量占比与近邻星系的薄厚盘分解研究一致。
图 4. 在固定恒星质量 M∗=2.5×1010M⨀ 下，盘整体标高（薄盘与厚盘的平均）的红移演化模型。实线表示最佳拟合关系，灰色曲线（阴影区域）表示从重采样数据集中得到的 1000 次重新拟合。红色虚线表示厚盘的厚度的最佳拟合演化曲线，而薄盘的厚度固定为 0.43 kpc。插图展示了单盘成分星系的垂直光度分布，以及随后薄盘、厚盘和合并盘随红移的演化。
综上，这些结果揭示了高红移时期的单成分盘星系与当今同时包含厚盘和薄盘的盘系结构之间存在连续的演化联系。
研究论文
该论文以“Through Thick and Thin: The Cosmic Evolution of Disk Scale Height”为题，在 The Astrophysical Journal Supplement Series 发表。论文第一作者和通讯作者为厦门大学天文学系副教授余思悦。
论文链接：https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2026arXiv260104988Y/abstract
