早期宇宙星系如何形成？中国学者领衔揭示其中奥秘
早期宇宙星系如何形成？中国学者领衔揭示其中奥秘
近日，紫金山天文台领衔国际研究团队基于大样本亚毫米波观测数据，首次确凿发现了遥远早期宇宙星暴星系中心原位核球形成的证据。新研究揭开了理解星系形态和演化的重要一角。12月5日，《自然》杂志在线发表了该项成果。
图源：紫金山天文台
何为星暴星系？它曾在宇宙形成的早期广泛存在，这些星系以迅猛的速度产生新的恒星，同时又以迅猛的势头引起超新星爆发，最终在星系中心形成超大质量黑洞。宇宙中大多数星系的中心都有一个由大量恒星聚集形成的密集区域，被称为核球。
当前宇宙中的星系依形态大致分为两类：有明显旋臂结构的盘状旋涡星系和整体呈近圆形或椭圆形且中心亮、边缘渐暗的椭圆星系。研究显示，无论形态如何，大多数星系的中心都有一个核球，核球与盘的比例决定了星系的整体形态。但这些核球如何形成，一直是科学界的谜团。它们是通过星系的并合形成？还是星系自身演化原位形成？之前的相关理论研究普遍倾向于前者，但从观测上验证这些理论仍是一大挑战。
中国科学院紫金山天文台联合法国替代能源与原子能委员会巴黎—萨克雷大学中心（CEA Paris—Saclay）、日本东京大学科维理宇宙物理学与数学研究所（Kavli IPMU/UTokyo）展开研究，基于阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波干涉阵（ALMA）档案数据自动挖掘项目（A3COSMOS和A3GOODSS）获得的高空间分辨率、高灵敏度数据，系统精确地测量了一批亚毫米波辐射非常明亮的早期宇宙大质量星暴星系的尘埃连续谱辐射分布特征。这些星系的红移可以追溯到“宇宙正午”时代，即距今约80亿至120亿年前，当时大多正在经历大规模的恒星形成活动。
研究团队通过统计分析发现，大多数样本星系的亚毫米波辐射非常紧凑，其面亮度轮廓明显偏离盘状星系光强度的典型指数盘模型分布，表明这些星系的核心区域很可能已经形成了类似核球的结构。基于三轴模型的样本星系轴比分布研究发现，其中大多数星系几何形状呈三轴椭球形，而不是传统认为的扁平盘状结构。
进一步采用先进的宇宙流体动力学模拟的结果显示，冷气体吸积流入和星系相互作用所触发的剧烈恒星形成活动，很可能是导致这些星系原位核球结构形成的主要原因，而这一时期也被认为是大多数星系核球结构形成的关键时期。
本项研究通过亚毫米波段的独特视角，结合创新的分析技术，为探究早期宇宙星暴星系核球结构的形成及演化提供了至关重要的观测证据，同时为当前宇宙中巨型椭圆星系的形成机制研究带来新启示，有望重新定义星系形成机制，对星系形成和演化理论的研究产生深远影响。论文第一作者兼通讯作者、紫金山天文台副研究员谈清华表示，随着更为先进的亚毫米波和毫米波干涉阵设备和新一代空间望远镜（如中国巡天空间望远镜）的应用，未来有望获得早期宇宙星系形成的更完整图景，进一步深化我们对整个宇宙演化的理解。