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日前，清華大學天文系團隊通過全波段數據，直接探測到早期宇宙中星系周圍氣體進入星系的詳細過程，證實重元素豐度較高的“循環內流”是驅動星系恒星形成的關鍵，為理解星系“生態系統”及星系演化邁出重要一步。相關研究成果5月5日以長文形式在線發表于《科學》期刊。

氣體進入星系細節，揭開大質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過程，一直是天體物理學研究的熱點。近期公布的美國未來十年天體物理規劃中，特別將“宇宙生態系統”作為需要解決的重要問題之一，其中一個關鍵是大質量星系形成演化的機制問題。理論認為，對于大質量星系而言，由于其本身巨大的引力勢能，導致物質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，因為在非常早期的宇宙中，已發現有的大質量星系內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過程，流入的氣體又是如何驅動恒星形成過程也未被揭示。

氣體的內流與循環內流和星系形成緊密相關。

為了揭開這一謎題，來自清華大學的蔡崢教授團隊，利用世界上最大的光學望遠鏡——“凱克”對距今110億年的一個巨大的氣體星云進行觀測，并利用先進的成像光譜儀——“宇宙網成像器”，成功探測到星系周圍氣體的氫元素以及多種重元素輻射，并進一步估計出重元素的大尺度空間分布。這也意味著在宇宙早期，星系周圍氣體已經富含重元素。通過進一步的光譜和數值模擬分析發現，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，通過復合輻射、禁戒躍遷輻射等過程冷卻下來，在引力和環境角動量共同作用下，重新回流入星系，形成“循環冷氣體流”。對觀測到的氣體動力學建模進一步表明，循環氣體流是朝星系流入的，可以促進和維持恒星形成活動。

本次發現對星系如何與大尺度環境進行物質交換提供清晰的圖景，表明“循環氣體流”是驅動早期宇宙大質量星系形成的重要機制。該發現為理解星系生態系統、星系形成和演化邁出關鍵的一步。未來，結合更大口徑、更大視場的光譜巡天望遠鏡(例如清華大學正在籌備的MUST巡天望遠鏡)，將使人類有望揭示星系中恒星形成的全貌。

清華大學蔡崢教授為項目牽頭人、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、德國馬克斯-普朗克研究所、加州大學、浙江大學、普林斯頓大學、猶他大學、廣州大學、北京大學、廈門大學、深圳技術大學、亞利桑那大學、中國科學院國家天文臺、上海天文臺、青海大學等。

(清華大學天文系供圖)

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