循環生態系統為新星誕生提供“糧食”

一方面，隨著恒星形成和星系中央超大質量黑洞吸積物質，超新星爆發、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拋射到大尺度環境系統中，形成星系外流。另一方面，在暗物質暈強大的引力作用下，星際空間的氣體會源源不斷地回流入星系內，也就是星系內流。因此在一系列相互作用下，星系、氣體以及它們的暗物質暈共同組成了星系生態系統。

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

　　不久前，中國天文學家通過凱克望遠鏡上的宇宙網成像器，結合全波段觀測，研究了宇宙早期形成的大質量星系“猛犸象1號”星云周圍的氣體動力學結構，進而模擬勾勒出該星系的生態系統形成圖景。相關發現刊登在最新一期的《科學》期刊上。

　　據悉，美國在其最新的天文學十年規劃中，特別將“宇宙生態系統”，作為未來熱點問題提出。其中一個重要的問題，是大質量星系形成演化的機制問題。

　　事實上，像銀河系這樣的大質量星系是如何形成并演化的，其中的大質量天體又是如何誕生的，科學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“星系生態系統”及星系演化機制的理解？科技日報記者采訪了參與這項研究的清華大學天文系團隊核心成員。

　　星系生態系統的外流與內流

　　宇宙的基本單位是星系，星系是由數量巨大的恒星系及星際塵埃組成。例如銀河系就是一個包含恒星、氣體、宇宙塵埃和暗物質，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）以及它們的暗物質暈共同組成所謂的星系生態系統。其中，氣體對星系的影響至關重要。”論文第一作者、清華大學博士生張世武指出。

　　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，而暗物質暈的典型直徑約為幾十萬光年。因此，暗物質暈的體積比星系體積大3個數量級。天文學家觀測發現，星系與暗物質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。其中，氫元素質量占比約為70%，氦元素質量占比約為20%。這些氣體（介質）是星系演化與星系中恒星形成的原料，質量超過星系中恒星質量的總和。

　　張世武進一步解釋說，目前的觀測實驗結果及理論模型認為，在演化過程中，星系與其周圍環境密不可分。一方面，隨著恒星形成和星系中央超大質量黑洞吸積物質，超新星爆發、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拋射到大尺度環境系統中，形成星系外流。

　　另一方面，在暗物質暈強大的引力作用下，星際空間的氣體會源源不斷地回流入星系內，進一步促進其中的恒星形成或超大質量黑洞增長，也就是星系內流。因此在一系列相互作用下，星系、氣體以及它們的暗物質暈共同組成了星系生態系統。一些生態系統只存在單一的中央星系，同時也有些生態系統中存在著由中央星系和衛星星系共同組成的星系群。

　　早期宇宙中富含重元素

　　天文學家普遍認為，大質量星系系統中的內流效率極低，不可能存在普遍較強的恒星形成活動。然而，對早期宇宙的觀測發現，很多大質量星系系統的中央星系存在劇烈的恒星形成活動，傳統理論很難解釋這一觀測現象，因此宇宙早期大質量星系系統為何存在劇烈的恒星形成過程仍然是一個謎。

　　“對這類大質量星系生態系統中的氣體進行直接成像，可以幫助我們了解其中的氣體運動過程，從而揭開這一謎題。也就是說，在宇宙生態系統中，如果可以直接觀測到星系吸積氣體、形成恒星的細節，將大大促進對整個生態系統結構形成的理解。但外流往往很容易觀測到，而對內流的直接觀測實屬罕見。”此次研究的牽頭人、文章通訊作者、清華大學副教授蔡崢指出，“這是因為星系周介質的面亮度很低，這就需要利用目前最大的望遠鏡加上最靈敏的光譜儀，才能對其進行觀測。”

　　為了直接給星系“糧食”（星系周介質）進行直接成像，揭示早期宇宙的生態系統，蔡崢團隊聯合一個國際團隊，利用凱克望遠鏡上的宇宙網成像器，結合從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，并進一步估計出重元素的大尺度空間分布。這意味著在宇宙早期，星系周圍氣體已經富含重元素。”蔡崢表示。

　　由于數據比較豐富，研究團隊與國際上幾十名理論學家展開了深入討論，嘗試解釋觀測到的數據。起初，因為觀測到的氣體富含重元素，不少同行認為，氣體運動學顯示氣體正在從內部噴向外部。然而結合幾個國際上流行的星系外流模型，并不能很好地擬合觀測到的數據點。

　　正當研究團隊百思不得其解時，團隊成員之一、清華大學副教授許丹丹提出，或許旋轉的、帶有角動量的氣體吸積（內流）能夠解釋觀測數據。

　　許丹丹表示，被重元素增豐的氣體通常都會被認為是星系內部噴出來的。然而，從數值模擬中科學家發現，重元素豐度高的氣體的確被外流帶入大尺度星系周介質中，但相當一部分氣體在暗物質暈引力和環境角動量的共同影響下，如噴泉一樣，以纖維網形式旋進回流星系。

　　因此，研究團隊通過循環內流模型，很好地解釋了多個觀測問題：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量星系恒星形成之謎。

　　反饋氣體“滋養”新生恒星

　　“這是一幅在宇宙尺度上上演的‘落紅不是無情物，化作春泥更護花’。”蔡崢說，這一過程以前只出現在宇宙學的數字模擬中，但并沒有引起人們的注意。此次是研究團隊首次為星系如何與大尺度環境進行物質交換提供了清晰的圖景，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。

　　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，這些物質相較于輕元素更容易冷卻，因此大大提升了星系內部的恒星形成效率。星系中心黑洞把被重元素增豐的氣體推向暗物質暈，后者如泥土一樣，又把那些“施肥”的氣體反饋給星系，“滋養”出一顆顆新的恒星。

　　通過這樣一個觀測結果，可以使星系生態系統、星系形成和演化機制逐漸清晰。蔡崢指出，從數值模擬和觀測出發，我們認為循環內流機制可能普遍存在于早期宇宙的大質量星系生態系統中。本次的觀測結果為星系生態系統理論提供了新視角，可能會推動后續對循環內流過程更深入的觀測和理論工作。此次研究結果意味著星系的內外流過程可能并非相互獨立的，循環內流可能是描述星系與環境物質交換更準確的圖像。

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