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清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)首次探測到星系形成演化“內(nèi)驅(qū)力”


(資料圖)

日前,清華大學(xué)天文系團(tuán)隊(duì)通過全波段數(shù)據(jù),直接探測到早期宇宙中星系周圍氣體進(jìn)入星系的詳細(xì)過程,證實(shí)重元素豐度較高的“循環(huán)內(nèi)流”是驅(qū)動星系恒星形成的關(guān)鍵,為理解星系“生態(tài)系統(tǒng)”及星系演化邁出重要一步。相關(guān)研究成果5月5日以長文形式在線發(fā)表于《科學(xué)》期刊。

氣體進(jìn)入星系細(xì)節(jié),揭開大質(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)過程,一直是天體物理學(xué)研究的熱點(diǎn)。近期公布的美國未來十年天體物理規(guī)劃中,特別將“宇宙生態(tài)系統(tǒng)”作為需要解決的重要問題之一,其中一個(gè)關(guān)鍵是大質(zhì)量星系形成演化的機(jī)制問題。理論認(rèn)為,對于大質(zhì)量星系而言,由于其本身巨大的引力勢能,導(dǎo)致物質(zhì)在塌縮過程中被激波加熱,使流入星系的氣體具有很高的溫度,無法有效冷卻,從而不能順利聚在一起、形成恒星。然而,這一理論與新的觀測相悖,因?yàn)樵诜浅T缙诘挠钪嬷?,已發(fā)現(xiàn)有的大質(zhì)量星系內(nèi)部也正在劇烈地形成恒星。這也就意味著,人們還沒有充分理解氣體流入星系的詳細(xì)過程,流入的氣體又是如何驅(qū)動恒星形成過程也未被揭示。

氣體的內(nèi)流與循環(huán)內(nèi)流和星系形成緊密相關(guān)。

為了揭開這一謎題,來自清華大學(xué)的蔡崢教授團(tuán)隊(duì),利用世界上最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡——“凱克”對距今110億年的一個(gè)巨大的氣體星云進(jìn)行觀測,并利用先進(jìn)的成像光譜儀——“宇宙網(wǎng)成像器”,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。這也意味著在宇宙早期,星系周圍氣體已經(jīng)富含重元素。通過進(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星系核噴射到星系周圍,通過復(fù)合輻射、禁戒躍遷輻射等過程冷卻下來,在引力和環(huán)境角動量共同作用下,重新回流入星系,形成“循環(huán)冷氣體流”。對觀測到的氣體動力學(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。

本次發(fā)現(xiàn)對星系如何與大尺度環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換提供清晰的圖景,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。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關(guān)鍵的一步。未來,結(jié)合更大口徑、更大視場的光譜巡天望遠(yuǎn)鏡(例如清華大學(xué)正在籌備的MUST巡天望遠(yuǎn)鏡),將使人類有望揭示星系中恒星形成的全貌。

清華大學(xué)蔡崢教授為項(xiàng)目牽頭人、文章通訊作者、共同第一作者;博士生張世武為論文的第一作者,清華大學(xué)許丹丹教授等提供了重要的理論支持。合作單位包括日本早稻田大學(xué)、德國馬克斯-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)、廣州大學(xué)、北京大學(xué)、廈門大學(xué)、深圳技術(shù)大學(xué)、亞利桑那大學(xué)、中國科學(xué)院國家天文臺、上海天文臺、青海大學(xué)等。

(清華大學(xué)天文系供圖)

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