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早期宇宙星暴星系中核球結(jié)構(gòu)的形成過程以及這一過程與當今宇宙巨型橢圓星系演化聯(lián)系示意圖。受訪者供圖

宇宙浩瀚無垠，存在許多星系。有的星系具有明顯的螺旋臂結(jié)構(gòu)，看起來像一個旋轉(zhuǎn)的圓盤，充滿了年輕的恒星和氣體，被稱為旋渦星系，比如人類所在的銀河系；有的星系中央則有一個龐大而明亮的核球，由大量恒星聚集而成，星系形狀接近圓形或橢圓形，這種星系屬于比較古老的橢圓星系。

一直以來，橢圓星系的誕生原因成謎。為此，中國科學(xué)院紫金山天文臺副研究員談清華與中國、法國、德國、日本、英國和丹麥等多個國家的團隊合作，瞄準大質(zhì)量星暴星系的形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征展開研究。

研究團隊通過亞毫米波段的獨特視角和創(chuàng)新的分析技術(shù)，首次發(fā)現(xiàn)了早期宇宙中遙遠星暴星系中心原位核球形成的確鑿證據(jù)，為星暴星系很可能是今天橢圓星系前身的說法提供了證據(jù)，同時揭示了巨型橢圓星系的誕生過程，為理解這些星系的形成提供了新線索。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于12月5日出版的《自然》。

了解星系形態(tài)與形成過程至關(guān)重要

“星系核球結(jié)構(gòu)的形成一直是天文學(xué)研究的一個重要前沿問題。了解星系的形態(tài)和結(jié)構(gòu)形成過程，對我們理解宇宙的演化過程至關(guān)重要。”談清華在接受《中國科學(xué)報》采訪時說。

20多年來，科學(xué)家借助哈勃太空望遠鏡和一些地面大型望遠鏡，在光學(xué)和近紅外波段對遙遠的早期宇宙星系進行了研究并取得大量成果。然而，大量出現(xiàn)于“宇宙正午”時期正在進行劇烈恒星形成活動的星暴星系富含塵埃，后者吸收了恒星發(fā)射的紫外線和可見光，因此在這些波段對它們進行研究非常困難。

不過，科學(xué)家很快發(fā)現(xiàn)，盡管星暴星系的紫外線和可見光難以捕捉，但是塵埃熱輻射會“改頭換面”，以遠紅外線和亞毫米波的形式出現(xiàn)。于是，亞毫米波段成為科學(xué)家研究這類天體新的觀測窗口。

位于智利北部阿塔卡馬沙漠的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波干涉陣列（ALMA）是目前國際上最先進的毫米波和亞毫米波望遠鏡之一，已連續(xù)工作10余年，是探測接收早期宇宙星系中冷氣體和塵埃星際物質(zhì)發(fā)出的微弱信號的最重要工具。

只不過，由于古老的星暴星系距離地球非常遙遠，探測設(shè)備在靈敏度和空間分辨率上受到技術(shù)限制，科學(xué)家無法像研究附近的星系那樣詳細觀察這些遙遠的星系。因此，盡管有研究推測這些大質(zhì)量星暴星系很可能是今天橢圓星系的前身，但證明這一點仍然是巨大挑戰(zhàn)。

創(chuàng)新數(shù)據(jù)分析技術(shù)得出新結(jié)論

得益于團隊合作的自動挖掘ALMA檔案數(shù)據(jù)項目提供的宇宙深場遙遠星系大樣本資料，研究人員能夠從海量數(shù)據(jù)中篩選出高信噪比的數(shù)據(jù)進行精確測量。

“這些數(shù)據(jù)是單個觀測項目無法提供的，是我們研究取得突破性結(jié)果的重要條件之一。”談清華表示，“此外，我們的研究還使用了創(chuàng)新的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，相比傳統(tǒng)分析方法顯著提高了測量參數(shù)的精確度，確保了分析結(jié)果的可靠性?！?/p>

研究人員詳細測量了星系中塵埃輻射沿徑向的分布以及三維幾何形狀。最終結(jié)果顯示，樣本中大多數(shù)星系在亞毫米波段的輻射非常集中，核心區(qū)域呈現(xiàn)出類似橢球的幾何結(jié)構(gòu)。這些發(fā)現(xiàn)表明，在宇宙早期的星暴星系中，極端活躍的恒星形成活動可能導(dǎo)致大量恒星在星系中心快速聚集，從而促進了核球結(jié)構(gòu)的形成。

“我們進一步采用先進的宇宙學(xué)流體力學(xué)模擬，探究了早期宇宙星暴星系核球結(jié)構(gòu)形成的物理起源。模擬結(jié)果顯示，冷氣體吸積流入星系以及星系之間相互作用觸發(fā)的劇烈恒星形成活動，很可能是導(dǎo)致這些星系核球結(jié)構(gòu)形成的主要原因?！闭勄迦A解釋說。

關(guān)于星系核球結(jié)構(gòu)的形成機制，目前的理論研究提出了幾種可能的假說，但沒有形成統(tǒng)一的結(jié)論，最終需要通過觀測進行驗證。談清華說：“這篇論文基于觀測研究提出的早期宇宙星暴星系中心的原位核球形成結(jié)論，將有助于完善相關(guān)理論，并可能重新定義星系形成機制。”

據(jù)介紹，這篇論文采用的創(chuàng)新數(shù)據(jù)分析技術(shù)，也將為星系亞毫米波研究提供重要的新方法，推動該領(lǐng)域發(fā)展。

下一步，研究人員計劃繼續(xù)充分利用ALMA望遠鏡的海量數(shù)據(jù)，研究早期宇宙星系中冷氣體和塵埃星際物質(zhì)的分布及其物理特征；同時，將借助先進的空間望遠鏡開展多波段研究，以獲得更全面的觀測數(shù)據(jù)。

“我們希望能夠通過這些研究，繪制出早期宇宙星系形成的更完整圖景，從而加深對宇宙隨時間演化過程的理解。”談清華說。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08201-6

（原載于《中國科學(xué)報》?2024-12-05?第1版?要聞）