循环生态系统为新星诞生提供“粮食”

2023-05-22 09:32:01 来源 : 科技日报

一方面，随着恒星形成和星系中央超大质量黑洞吸积物质，超新星爆发、活动星系核反馈活动等星系中的高能活动会将星系中的重元素物质抛射到大尺度环境系统中，形成星系外流。另一方面，在暗物质晕强大的引力作用下，星际空间的气体会源源不断地回流入星系内，也就是星系内流。因此在一系列相互作用下，星系、气体以及它们的暗物质晕共同组成了星系生态系统。

在美国夏威夷海拔4200多米的莫纳克亚山顶，凯克望远镜一直“望”着浩瀚深邃的星空，不断探究宇宙的奥秘。

(相关资料图)

不久前，中国天文学家通过凯克望远镜上的宇宙网成像器，结合全波段观测，研究了宇宙早期形成的大质量星系“猛犸象1号”星云周围的气体动力学结构，进而模拟勾勒出该星系的生态系统形成图景。相关发现刊登在最新一期的《科学》期刊上。

据悉，美国在其最新的天文学十年规划中，特别将“宇宙生态系统”，作为未来热点问题提出。其中一个重要的问题，是大质量星系形成演化的机制问题。

事实上，像银河系这样的大质量星系是如何形成并演化的，其中的大质量天体又是如何诞生的，科学界至今也没能作出很好的解释。此次最新研究能否推动对于“星系生态系统”及星系演化机制的理解？科技日报记者采访了参与这项研究的清华大学天文系团队核心成员。

星系生态系统的外流与内流

宇宙的基本单位是星系，星系是由数量巨大的恒星系及星际尘埃组成。例如银河系就是一个包含恒星、气体、宇宙尘埃和暗物质，并且受到重力束缚的大星系。

“在一系列相互作用下，星系与星系周围气体（星系周介质）以及它们的暗物质晕共同组成所谓的星系生态系统。其中，气体对星系的影响至关重要。”论文第一作者、清华大学博士生张世武指出。

张世武解释说，在目前的星系演化理论框架下，星系处于巨大的暗物质晕之中。早期宇宙中星系的典型直径约为几万光年，而暗物质晕的典型直径约为几十万光年。因此，暗物质晕的体积比星系体积大3个数量级。天文学家观测发现，星系与暗物质晕之间遍布以氢原子/离子、氦原子/离子为主的气体，这就是星系周介质。其中，氢元素质量占比约为70%，氦元素质量占比约为20%。这些气体（介质）是星系演化与星系中恒星形成的原料，质量超过星系中恒星质量的总和。

张世武进一步解释说，目前的观测实验结果及理论模型认为，在演化过程中，星系与其周围环境密不可分。一方面，随着恒星形成和星系中央超大质量黑洞吸积物质，超新星爆发、活动星系核反馈活动等星系中的高能活动会将星系中的重元素物质抛射到大尺度环境系统中，形成星系外流。

另一方面，在暗物质晕强大的引力作用下，星际空间的气体会源源不断地回流入星系内，进一步促进其中的恒星形成或超大质量黑洞增长，也就是星系内流。因此在一系列相互作用下，星系、气体以及它们的暗物质晕共同组成了星系生态系统。一些生态系统只存在单一的中央星系，同时也有些生态系统中存在着由中央星系和卫星星系共同组成的星系群。

早期宇宙中富含重元素

天文学家普遍认为，大质量星系系统中的内流效率极低，不可能存在普遍较强的恒星形成活动。然而，对早期宇宙的观测发现，很多大质量星系系统的中央星系存在剧烈的恒星形成活动，传统理论很难解释这一观测现象，因此宇宙早期大质量星系系统为何存在剧烈的恒星形成过程仍然是一个谜。

“对这类大质量星系生态系统中的气体进行直接成像，可以帮助我们了解其中的气体运动过程，从而揭开这一谜题。也就是说，在宇宙生态系统中，如果可以直接观测到星系吸积气体、形成恒星的细节，将大大促进对整个生态系统结构形成的理解。但外流往往很容易观测到，而对内流的直接观测实属罕见。”此次研究的牵头人、文章通讯作者、清华大学副教授蔡峥指出，“这是因为星系周介质的面亮度很低，这就需要利用目前最大的望远镜加上最灵敏的光谱仪，才能对其进行观测。”

为了直接给星系“粮食”（星系周介质）进行直接成像，揭示早期宇宙的生态系统，蔡峥团队联合一个国际团队，利用凯克望远镜上的宇宙网成像器，结合从X射线、可见光、红外线到射电的全波段观测，对110亿光年外、早期宇宙中的超大气体星云“猛犸象1号”进行了深入研究。

“我们成功探测到星系周围气体的氢元素以及多种重元素辐射，并进一步估计出重元素的大尺度空间分布。这意味着在宇宙早期，星系周围气体已经富含重元素。”蔡峥表示。

由于数据比较丰富，研究团队与国际上几十名理论学家展开了深入讨论，尝试解释观测到的数据。起初，因为观测到的气体富含重元素，不少同行认为，气体运动学显示气体正在从内部喷向外部。然而结合几个国际上流行的星系外流模型，并不能很好地拟合观测到的数据点。

正当研究团队百思不得其解时，团队成员之一、清华大学副教授许丹丹提出，或许旋转的、带有角动量的气体吸积（内流）能够解释观测数据。

许丹丹表示，被重元素增丰的气体通常都会被认为是星系内部喷出来的。然而，从数值模拟中科学家发现，重元素丰度高的气体的确被外流带入大尺度星系周介质中，但相当一部分气体在暗物质晕引力和环境角动量的共同影响下，如喷泉一样，以纤维网形式旋进回流星系。

因此，研究团队通过循环内流模型，很好地解释了多个观测问题：被重元素增丰的气体，可以通过重元素（碳元素等）复合辐射、禁戒跃迁辐射有效冷却，从而形成恒星。这种冷气体流，可以一定程度解释大质量星系恒星形成之谜。

反馈气体“滋养”新生恒星

“这是一幅在宇宙尺度上上演的‘落红不是无情物，化作春泥更护花’。”蔡峥说，这一过程以前只出现在宇宙学的数字模拟中，但并没有引起人们的注意。此次是研究团队首次为星系如何与大尺度环境进行物质交换提供了清晰的图景，表明“循环气体流”是驱动早期宇宙大质量星系形成的重要机制。

蔡峥解释说，正是由于从星系中被推出又返回星系的气体中含有大量重元素物质，这些物质相较于轻元素更容易冷却，因此大大提升了星系内部的恒星形成效率。星系中心黑洞把被重元素增丰的气体推向暗物质晕，后者如泥土一样，又把那些“施肥”的气体反馈给星系，“滋养”出一颗颗新的恒星。

通过这样一个观测结果，可以使星系生态系统、星系形成和演化机制逐渐清晰。蔡峥指出，从数值模拟和观测出发，我们认为循环内流机制可能普遍存在于早期宇宙的大质量星系生态系统中。本次的观测结果为星系生态系统理论提供了新视角，可能会推动后续对循环内流过程更深入的观测和理论工作。此次研究结果意味着星系的内外流过程可能并非相互独立的，循环内流可能是描述星系与环境物质交换更准确的图像。

蔡峥表示，今后，我们将针对更多不同质量、不同环境的大质量星系进行成像，并详细探究星系如何演化至今。此项研究对于人们深入研究诸如暗物质、暗能量等宇宙学难题也将起到一定的推动作用。

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