古老星系形成新線索找到了

早期宇宙星暴星系中核球結構的形成過程以及這一過程與當今宇宙巨型橢圓星系演化聯系示意圖。受訪者供圖

■本報記者袁一雪

宇宙浩瀚無垠，存在許多星系。有的星系具有明顯的螺旋臂結構，看起來像一個旋轉的圓盤，充滿了年輕的恒星和氣體，被稱為旋渦星系，比如人類所在的銀河系；有的星系中央則有一個龐大而明亮的核球，由大量恒星聚集而成，星系形狀接近圓形或橢圓形，這種星系屬于比較古老的橢圓星系。

一直以來，橢圓星系的誕生原因成謎。為此，中國科學院紫金山天文臺副研究員談清華與中國、法國、德國、日本、英國和丹麥等多個國家的團隊合作，瞄準大質量星暴星系的形態和結構特征展開研究。

研究團隊通過亞毫米波段的獨特視角和創新的分析技術，首次發現了早期宇宙中遙遠星暴星系中心原位核球形成的確鑿證據，為星暴星系很可能是今天橢圓星系前身的說法提供了證據，同時揭示了巨型橢圓星系的誕生過程，為理解這些星系的形成提供了新線索。相關研究結果發表于12月5日出版的《自然》。

了解星系形態與形成過程至關重要

“星系核球結構的形成一直是天文學研究的一個重要前沿問題。了解星系的形態和結構形成過程，對我們理解宇宙的演化過程至關重要。”談清華在接受《中國科學報》采訪時說。

20多年來，科學家借助哈勃太空望遠鏡和一些地面大型望遠鏡，在光學和近紅外波段對遙遠的早期宇宙星系進行了研究并取得大量成果。然而，大量出現于“宇宙正午”時期正在進行劇烈恒星形成活動的星暴星系富含塵埃，后者吸收了恒星發射的紫外線和可見光，因此在這些波段對它們進行研究非常困難。

不過，科學家很快發現，盡管星暴星系的紫外線和可見光難以捕捉，但是塵埃熱輻射會“改頭換面”，以遠紅外線和亞毫米波的形式出現。于是，亞毫米波段成為科學家研究這類天體新的觀測窗口。

位于智利北部阿塔卡馬沙漠的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波干涉陣列（ALMA）是目前國際上最先進的毫米波和亞毫米波望遠鏡之一，已連續工作10余年，是探測接收早期宇宙星系中冷氣體和塵埃星際物質發出的微弱信號的最重要工具。

只不過，由于古老的星暴星系距離地球非常遙遠，探測設備在靈敏度和空間分辨率上受到技術限制，科學家無法像研究附近的星系那樣詳細觀察這些遙遠的星系。因此，盡管有研究推測這些大質量星暴星系很可能是今天橢圓星系的前身，但證明這一點仍然是巨大挑戰。

創新數據分析技術得出新結論

得益于團隊合作的自動挖掘ALMA檔案數據項目提供的宇宙深場遙遠星系大樣本資料，研究人員能夠從海量數據中篩選出高信噪比的數據進行精確測量。

“這些數據是單個觀測項目無法提供的，是我們研究取得突破性結果的重要條件之一。”談清華表示，“此外，我們的研究還使用了創新的數據分析技術，相比傳統分析方法顯著提高了測量參數的精確度，確保了分析結果的可靠性。”

研究人員詳細測量了星系中塵埃輻射沿徑向的分布以及三維幾何形狀。最終結果顯示，樣本中大多數星系在亞毫米波段的輻射非常集中，核心區域呈現出類似橢球的幾何結構。這些發現表明，在宇宙早期的星暴星系中，極端活躍的恒星形成活動可能導致大量恒星在星系中心快速聚集，從而促進了核球結構的形成。

“我們進一步采用先進的宇宙學流體力學模擬，探究了早期宇宙星暴星系核球結構形成的物理起源。模擬結果顯示，冷氣體吸積流入星系以及星系之間相互作用觸發的劇烈恒星形成活動，很可能是導致這些星系核球結構形成的主要原因。”談清華解釋說。

關于星系核球結構的形成機制，目前的理論研究提出了幾種可能的假說，但沒有形成統一的結論，最終需要通過觀測進行驗證。談清華說：“這篇論文基于觀測研究提出的早期宇宙星暴星系中心的原位核球形成結論，將有助于完善相關理論，并可能重新定義星系形成機制。”

據介紹，這篇論文采用的創新數據分析技術，也將為星系亞毫米波研究提供重要的新方法，推動該領域發展。

下一步，研究人員計劃繼續充分利用ALMA望遠鏡的海量數據，研究早期宇宙星系中冷氣體和塵埃星際物質的分布及其物理特征；同時，將借助先進的空間望遠鏡開展多波段研究，以獲得更全面的觀測數據。

“我們希望能夠通過這些研究，繪制出早期宇宙星系形成的更完整圖景，從而加深對宇宙隨時間演化過程的理解。”談清華說。

相關論文信息:

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08201-6

《中國科學報》(2024-12-05第1版要聞)