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日前,清华大学天文系团队通过全波段数据,直接探测到早期宇宙中星系周围气体进入星系的详细过程,证实重元素丰度较高的“循环内流”是驱动星系恒星形成的关键,为理解星系“生态系统”及星系演化迈出重要一步。相关研究成果5月5日以长文形式在线发表于《科学》期刊。

气体进入星系细节,揭开大质量星系恒星形成之谜。

星系吸积星系外气体形成恒星的详细过程,一直是天体物理学研究的热点。近期公布的美国未来十年天体物理规划中,特别将“宇宙生态系统”作为需要解决的重要问题之一,其中一个关键是大质量星系形成演化的机制问题。理论认为,对于大质量星系而言,由于其本身巨大的引力势能,导致物质在塌缩过程中被激波加热,使流入星系的气体具有很高的温度,无法有效冷却,从而不能顺利聚在一起、形成恒星。然而,这一理论与新的观测相悖,因为在非常早期的宇宙中,已发现有的大质量星系内部也正在剧烈地形成恒星。这也就意味着,人们还没有充分理解气体流入星系的详细过程,流入的气体又是如何驱动恒星形成过程也未被揭示。

气体的内流与循环内流和星系形成紧密相关。

为了揭开这一谜题,来自清华大学的蔡峥教授团队,利用世界上最大的光学望远镜——“凯克”对距今110亿年的一个巨大的气体星云进行观测,并利用先进的成像光谱仪——“宇宙网成像器”,成功探测到星系周围气体的氢元素以及多种重元素辐射,并进一步估计出重元素的大尺度空间分布。这也意味着在宇宙早期,星系周围气体已经富含重元素。通过进一步的光谱和数值模拟分析发现,这些富含重元素的电离气体,极为可能是早先被星系中心的活动星系核喷射到星系周围,通过复合辐射、禁戒跃迁辐射等过程冷却下来,在引力和环境角动量共同作用下,重新回流入星系,形成“循环冷气体流”。对观测到的气体动力学建模进一步表明,循环气体流是朝星系流入的,可以促进和维持恒星形成活动。

本次发现对星系如何与大尺度环境进行物质交换提供清晰的图景,表明“循环气体流”是驱动早期宇宙大质量星系形成的重要机制。该发现为理解星系生态系统、星系形成和演化迈出关键的一步。未来,结合更大口径、更大视场的光谱巡天望远镜(例如清华大学正在筹备的MUST巡天望远镜),将使人类有望揭示星系中恒星形成的全貌。

清华大学蔡峥教授为项目牵头人、文章通讯作者、共同第一作者;博士生张世武为论文的第一作者,清华大学许丹丹教授等提供了重要的理论支持。合作单位包括日本早稻田大学、德国马克斯-普朗克研究所、加州大学、浙江大学、普林斯顿大学、犹他大学、广州大学、北京大学、厦门大学、深圳技术大学、亚利桑那大学、中国科学院国家天文台、上海天文台、青海大学等。

(清华大学天文系供图)

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