清華新聞網(wǎng)5月7日電 近日，清華大學(xué)天文系領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)，通過(guò)全波段數(shù)據(jù)，直接探測(cè)到早期宇宙中星系周?chē)鷼怏w進(jìn)入星系的詳細(xì)過(guò)程，證實(shí)了重元素豐度較高的“循環(huán)內(nèi)流”是驅(qū)動(dòng)星系恒星形成的關(guān)鍵，為理解星系“生態(tài)系統(tǒng)”及星系演化邁出重要一步。
大質(zhì)量星系恒星形成之謎
星系吸積星系外氣體，形成恒星的詳細(xì)過(guò)程是天體物理學(xué)研究的熱點(diǎn)。近期公布的美國(guó)未來(lái)十年天體物理規(guī)劃中，特別將“宇宙生態(tài)系統(tǒng)”（cosmic ecosystem），作為需解決的重要問(wèn)題提出。其中的一個(gè)關(guān)鍵，是大質(zhì)量星系形成演化的機(jī)制問(wèn)題。理論認(rèn)為，對(duì)于大質(zhì)量星系而言，由于其本身巨大的引力勢(shì)能，導(dǎo)致物質(zhì)在塌縮過(guò)程中被激波加熱，使流入星系的氣體具有很高的溫度，無(wú)法有效冷卻，從而不能順利聚在一起、形成恒星。然而，這一理論與新的觀(guān)測(cè)相悖，因?yàn)樵诜浅Ｔ缙诘挠钪嬷?，已?jīng)發(fā)現(xiàn)一些大質(zhì)量星系存在著劇烈的恒星形成。這就意味著，人們還沒(méi)有充分理解氣體流入星系的詳細(xì)過(guò)程，流入的氣體如何驅(qū)動(dòng)恒星形成過(guò)程也未被揭示。
為了解開(kāi)這一謎題，來(lái)自清華大學(xué)天文系蔡崢教授領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)，利用世界上最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡——“凱克”，對(duì)110億光年外的一個(gè)巨大的氣體星云進(jìn)行了觀(guān)測(cè)。利用先進(jìn)的成像光譜儀——“宇宙網(wǎng)成像器”，團(tuán)隊(duì)成功探測(cè)到了星系周?chē)鷼怏w的氫元素以及多種重元素輻射，并進(jìn)一步估計(jì)出重元素的大尺度空間分布。這也意味著在宇宙早期，星系周?chē)鷼怏w已經(jīng)富含重元素。進(jìn)一步的光譜和數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，這些富含重元素的電離氣體，極為可能是早先被星系中心的活動(dòng)星系核噴射到星系周?chē)ㄟ^(guò)復(fù)合輻射、禁戒躍遷輻射等過(guò)程冷卻下來(lái)，在引力和環(huán)境角動(dòng)量共同作用下，重新回流入星系，形成“循環(huán)冷氣體流”。對(duì)氣體動(dòng)力學(xué)建模進(jìn)一步表明，循環(huán)氣體流是朝星系流入的，可以促進(jìn)和維持恒星形成活動(dòng)。
本次發(fā)現(xiàn)對(duì)星系如何與大尺度環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換提供了清晰的圖景。表明“循環(huán)氣體流”（recycling inflow）是驅(qū)動(dòng)早期宇宙大質(zhì)量星系形成的重要機(jī)制。該發(fā)現(xiàn)為理解星系生態(tài)系統(tǒng)、星系形成和演化邁出了關(guān)鍵的一步。未來(lái)，結(jié)合更大口徑、更大視場(chǎng)的光譜巡天望遠(yuǎn)鏡，人們有望揭示星系中恒星形成的全貌。
相關(guān)研究成果于5月5日以長(zhǎng)文形式（research articles）在線(xiàn)發(fā)表于《科學(xué)》（Science），論文的題目為“110億年前大質(zhì)量星系周?chē)辉鲐S的旋進(jìn)流”（Inspiraling streams of enriched gas observed around a massive galaxy 11 billion years ago）。
清華大學(xué)蔡崢教授為項(xiàng)目PI，文章通訊作者、共同第一作者；2018級(jí)博士研究生張世武為文章第一作者，清華大學(xué)許丹丹教授等提供了重要的理論支持。研究合作單位包括日本早稻田大學(xué)、德國(guó)馬克斯-普朗克研究所、加州大學(xué)、浙江大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、猶他大學(xué)、北京大學(xué)、廣州大學(xué)、廈門(mén)大學(xué)、深圳技術(shù)大學(xué)、亞利桑那大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)、上海天文臺(tái)等。
相關(guān)工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、清華大學(xué)等的支持。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj9192
供稿：天文系
題圖設(shè)計(jì)：趙存存
編輯：李華山
審核：郭玲
