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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(dāng)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(gè)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(gè)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(tái)副研究員談清華與中國、法國、德國、日本、英國和丹麥等多個(gè)國家的團(tuán)隊(duì)合作，瞄準(zhǔn)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(tuán)隊(duì)通過亞毫米波段的獨(dú)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(yuǎn)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(shí)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(gè)重要前沿問題。了解星系的形態(tài)和結(jié)構(gòu)形成過程，對(duì)我們理解宇宙的演化過程至關(guān)重要?！闭勄迦A在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說。

20多年來，科學(xué)家借助哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和一些地面大型望遠(yuǎn)鏡，在光學(xué)和近紅外波段對(duì)遙遠(yuǎn)的早期宇宙星系進(jìn)行了研究并取得大量成果。然而，大量出現(xiàn)于“宇宙正午”時(shí)期正在進(jìn)行劇烈恒星形成活動(dòng)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(duì)它們進(jìn)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(huì)“改頭換面”，以遠(yuǎn)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(cè)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(jìn)的毫米波和亞毫米波望遠(yuǎn)鏡之一，已連續(xù)工作10余年，是探測(cè)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(hào)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(yuǎn)，探測(cè)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(xì)觀察這些遙遠(yuǎn)的星系。因此，盡管有研究推測(cè)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(diǎn)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(tuán)隊(duì)合作的自動(dòng)挖掘ALMA檔案數(shù)據(jù)項(xiàng)目提供的宇宙深場(chǎng)遙遠(yuǎn)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(jìn)行精確測(cè)量。

“這些數(shù)據(jù)是單個(gè)觀測(cè)項(xiàng)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(cè)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(xì)測(cè)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(dòng)可能導(dǎo)致大量恒星在星系中心快速聚集，從而促進(jìn)了核球結(jié)構(gòu)的形成。

“我們進(jìn)一步采用先進(jìn)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(dòng)，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(jī)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(cè)進(jìn)行驗(yàn)證。談清華說：“這篇論文基于觀測(cè)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(jī)制?！?/p>

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(dòng)該領(lǐng)域發(fā)展。

下一步，研究人員計(jì)劃繼續(xù)充分利用ALMA望遠(yuǎn)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(shí)，將借助先進(jìn)的空間望遠(yuǎn)鏡開展多波段研究，以獲得更全面的觀測(cè)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(duì)宇宙隨時(shí)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(bào)》?2024-12-05?第1版?要聞）