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一方面，隨著恒星形成和星系中央超大質(zhì)量黑洞吸積物質(zhì)，超新星爆發(fā)、活動星系核反饋活動等星系中的高能活動會將星系中的重元素物質(zhì)拋射到大尺度環(huán)境系統(tǒng)中，形成星系外流。另一方面，在暗物質(zhì)暈強(qiáng)大的引力作用下，星際空間的氣體會源源不斷地回流入星系內(nèi)，也就是星系內(nèi)流。因此在一系列相互作用下，星系、氣體以及它們的暗物質(zhì)暈共同組成了星系生態(tài)系統(tǒng)。

在美國夏威夷海拔4200多米的莫納克亞山頂，凱克望遠(yuǎn)鏡一直“望”著浩瀚深邃的星空，不斷探究宇宙的奧秘。

【資料圖】

不久前，中國天文學(xué)家通過凱克望遠(yuǎn)鏡上的宇宙網(wǎng)成像器，結(jié)合全波段觀測，研究了宇宙早期形成的大質(zhì)量星系“猛犸象1號”星云周圍的氣體動力學(xué)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而模擬勾勒出該星系的生態(tài)系統(tǒng)形成圖景。相關(guān)發(fā)現(xiàn)刊登在最新一期的《科學(xué)》期刊上。

據(jù)悉，美國在其最新的天文學(xué)十年規(guī)劃中，特別將“宇宙生態(tài)系統(tǒng)”，作為未來熱點(diǎn)問題提出。其中一個(gè)重要的問題，是大質(zhì)量星系形成演化的機(jī)制問題。

事實(shí)上，像銀河系這樣的大質(zhì)量星系是如何形成并演化的，其中的大質(zhì)量天體又是如何誕生的，科學(xué)界至今也沒能作出很好的解釋。此次最新研究能否推動對于“星系生態(tài)系統(tǒng)”及星系演化機(jī)制的理解？科技日報(bào)記者采訪了參與這項(xiàng)研究的清華大學(xué)天文系團(tuán)隊(duì)核心成員。

星系生態(tài)系統(tǒng)的外流與內(nèi)流

宇宙的基本單位是星系，星系是由數(shù)量巨大的恒星系及星際塵埃組成。例如銀河系就是一個(gè)包含恒星、氣體、宇宙塵埃和暗物質(zhì)，并且受到重力束縛的大星系。

“在一系列相互作用下，星系與星系周圍氣體（星系周介質(zhì)）以及它們的暗物質(zhì)暈共同組成所謂的星系生態(tài)系統(tǒng)。其中，氣體對星系的影響至關(guān)重要。”論文第一作者、清華大學(xué)博士生張世武指出。

張世武解釋說，在目前的星系演化理論框架下，星系處于巨大的暗物質(zhì)暈之中。早期宇宙中星系的典型直徑約為幾萬光年，而暗物質(zhì)暈的典型直徑約為幾十萬光年。因此，暗物質(zhì)暈的體積比星系體積大3個(gè)數(shù)量級。天文學(xué)家觀測發(fā)現(xiàn)，星系與暗物質(zhì)暈之間遍布以氫原子/離子、氦原子/離子為主的氣體，這就是星系周介質(zhì)。其中，氫元素質(zhì)量占比約為70%，氦元素質(zhì)量占比約為20%。這些氣體（介質(zhì)）是星系演化與星系中恒星形成的原料，質(zhì)量超過星系中恒星質(zhì)量的總和。

張世武進(jìn)一步解釋說，目前的觀測實(shí)驗(yàn)結(jié)果及理論模型認(rèn)為，在演化過程中，星系與其周圍環(huán)境密不可分。一方面，隨著恒星形成和星系中央超大質(zhì)量黑洞吸積物質(zhì)，超新星爆發(fā)、活動星系核反饋活動等星系中的高能活動會將星系中的重元素物質(zhì)拋射到大尺度環(huán)境系統(tǒng)中，形成星系外流。

另一方面，在暗物質(zhì)暈強(qiáng)大的引力作用下，星際空間的氣體會源源不斷地回流入星系內(nèi)，進(jìn)一步促進(jìn)其中的恒星形成或超大質(zhì)量黑洞增長，也就是星系內(nèi)流。因此在一系列相互作用下，星系、氣體以及它們的暗物質(zhì)暈共同組成了星系生態(tài)系統(tǒng)。一些生態(tài)系統(tǒng)只存在單一的中央星系，同時(shí)也有些生態(tài)系統(tǒng)中存在著由中央星系和衛(wèi)星星系共同組成的星系群。

早期宇宙中富含重元素

天文學(xué)家普遍認(rèn)為，大質(zhì)量星系系統(tǒng)中的內(nèi)流效率極低，不可能存在普遍較強(qiáng)的恒星形成活動。然而，對早期宇宙的觀測發(fā)現(xiàn)，很多大質(zhì)量星系系統(tǒng)的中央星系存在劇烈的恒星形成活動，傳統(tǒng)理論很難解釋這一觀測現(xiàn)象，因此宇宙早期大質(zhì)量星系系統(tǒng)為何存在劇烈的恒星形成過程仍然是一個(gè)謎。

“對這類大質(zhì)量星系生態(tài)系統(tǒng)中的氣體進(jìn)行直接成像，可以幫助我們了解其中的氣體運(yùn)動過程，從而揭開這一謎題。也就是說，在宇宙生態(tài)系統(tǒng)中，如果可以直接觀測到星系吸積氣體、形成恒星的細(xì)節(jié)，將大大促進(jìn)對整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形成的理解。但外流往往很容易觀測到，而對內(nèi)流的直接觀測實(shí)屬罕見。”此次研究的牽頭人、文章通訊作者、清華大學(xué)副教授蔡崢指出，“這是因?yàn)樾窍抵芙橘|(zhì)的面亮度很低，這就需要利用目前最大的望遠(yuǎn)鏡加上最靈敏的光譜儀，才能對其進(jìn)行觀測。”

為了直接給星系“糧食”（星系周介質(zhì)）進(jìn)行直接成像，揭示早期宇宙的生態(tài)系統(tǒng)，蔡崢團(tuán)隊(duì)聯(lián)合一個(gè)國際團(tuán)隊(duì)，利用凱克望遠(yuǎn)鏡上的宇宙網(wǎng)成像器，結(jié)合從X射線、可見光、紅外線到射電的全波段觀測，對110億光年外、早期宇宙中的超大氣體星云“猛犸象1號”進(jìn)行了深入研究。

“我們成功探測到星系周圍氣體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。這意味著在宇宙早期，星系周圍氣體已經(jīng)富含重元素。”蔡崢表示。

由于數(shù)據(jù)比較豐富，研究團(tuán)隊(duì)與國際上幾十名理論學(xué)家展開了深入討論，嘗試解釋觀測到的數(shù)據(jù)。起初，因?yàn)橛^測到的氣體富含重元素，不少同行認(rèn)為，氣體運(yùn)動學(xué)顯示氣體正在從內(nèi)部噴向外部。然而結(jié)合幾個(gè)國際上流行的星系外流模型，并不能很好地?cái)M合觀測到的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

正當(dāng)研究團(tuán)隊(duì)百思不得其解時(shí)，團(tuán)隊(duì)成員之一、清華大學(xué)副教授許丹丹提出，或許旋轉(zhuǎn)的、帶有角動量的氣體吸積（內(nèi)流）能夠解釋觀測數(shù)據(jù)。

許丹丹表示，被重元素增豐的氣體通常都會被認(rèn)為是星系內(nèi)部噴出來的。然而，從數(shù)值模擬中科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，重元素豐度高的氣體的確被外流帶入大尺度星系周介質(zhì)中，但相當(dāng)一部分氣體在暗物質(zhì)暈引力和環(huán)境角動量的共同影響下，如噴泉一樣，以纖維網(wǎng)形式旋進(jìn)回流星系。

因此，研究團(tuán)隊(duì)通過循環(huán)內(nèi)流模型，很好地解釋了多個(gè)觀測問題：被重元素增豐的氣體，可以通過重元素（碳元素等）復(fù)合輻射、禁戒躍遷輻射有效冷卻，從而形成恒星。這種冷氣體流，可以一定程度解釋大質(zhì)量星系恒星形成之謎。

反饋氣體“滋養(yǎng)”新生恒星

“這是一幅在宇宙尺度上上演的‘落紅不是無情物，化作春泥更護(hù)花’。”蔡崢說，這一過程以前只出現(xiàn)在宇宙學(xué)的數(shù)字模擬中，但并沒有引起人們的注意。此次是研究團(tuán)隊(duì)首次為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”是驅(qū)動早期宇宙大質(zhì)量星系形成的重要機(jī)制。

蔡崢解釋說，正是由于從星系中被推出又返回星系的氣體中含有大量重元素物質(zhì)，這些物質(zhì)相較于輕元素更容易冷卻，因此大大提升了星系內(nèi)部的恒星形成效率。星系中心黑洞把被重元素增豐的氣體推向暗物質(zhì)暈，后者如泥土一樣，又把那些“施肥”的氣體反饋給星系，“滋養(yǎng)”出一顆顆新的恒星。

通過這樣一個(gè)觀測結(jié)果，可以使星系生態(tài)系統(tǒng)、星系形成和演化機(jī)制逐漸清晰。蔡崢指出，從數(shù)值模擬和觀測出發(fā)，我們認(rèn)為循環(huán)內(nèi)流機(jī)制可能普遍存在于早期宇宙的大質(zhì)量星系生態(tài)系統(tǒng)中。本次的觀測結(jié)果為星系生態(tài)系統(tǒng)理論提供了新視角，可能會推動后續(xù)對循環(huán)內(nèi)流過程更深入的觀測和理論工作。此次研究結(jié)果意味著星系的內(nèi)外流過程可能并非相互獨(dú)立的，循環(huán)內(nèi)流可能是描述星系與環(huán)境物質(zhì)交換更準(zhǔn)確的圖像。

蔡崢表示，今后，我們將針對更多不同質(zhì)量、不同環(huán)境的大質(zhì)量星系進(jìn)行成像，并詳細(xì)探究星系如何演化至今。此項(xiàng)研究對于人們深入研究諸如暗物質(zhì)、暗能量等宇宙學(xué)難題也將起到一定的推動作用。