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”（cosmic ecosystem），作为需解决的重要问题提出。其中的一个关键，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，已经发现一些大质量星系存在着剧烈的恒星形成。这就意味着，人们还没有充分理解气体流入星系的详细过程，流入的气体如何驱动恒星形成过程也未被揭示。
为了解开这一谜题，来自清华大学天文系蔡峥教授领导的国际团队，利用世界上最大的光学望远镜——“凯克”，对110亿光年外的一个巨大的气体星云进行了观测。利用先进的成像光谱仪——“宇宙网成像器”，团队成功探测到了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。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了清晰的图景。表明“循环气体流”（recycling inflow）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了关键的一步。未来，结合更大口径、更大视场的光谱巡天望远镜，人们有望揭示星系中恒星形成的全貌。
相关研究成果于5月5日以长文形式（research articles）在线发表于《科学》（Science），论文的题目为“110亿年前大质量星系周围被增丰的旋进流”（Inspiraling streams of enriched gas observed around a massive galaxy 11 billion years ago）。
清华大学蔡峥教授为项目PI，文章通讯作者、共同第一作者；2018级博士研究生张世武为文章第一作者，清华大学许丹丹教授等提供了重要的理论支持。研究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、北京大学、广州大学、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、上海天文台等。
相关工作得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、清华大学等的支持。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj9192
供稿：天文系
题图设计：赵存存
编辑：李华山
审核：郭玲
2023年05月07日 08:34:01
