奇闻异事网破解星系核心的一个未解之谜
在广袤的宇宙中，星系是最基本也是最壮观的结构之一。然而，即使经过数十年的观测和研究，我们仍然对星系内部的许多细节知之甚少。其中，星系中心的核球究竟是如何形成的，一直是天文学界的一个未解之谜。
2024年12月5日，中国科学院紫金山天文台谈清华副研究员领衔国际研究团队在《自然》杂志上发表的一项研究， 首次发现了遥远的早期宇宙星暴星系中心原位核球形成的确凿证据。这一发现为我们理解星系的形成和演化开启了新的篇章。
宇宙深处的璀璨明珠
哈勃序列图。显示星系的分类方式， 从椭圆星系（E0-E7），到透镜状星系（S0），以及旋涡星系的“音叉”。（图/NASA/ESA）
仰望星空，当天文学家确认了那些不同于恒星、具有延展结构的天体大部分都是遥远而庞大的星系时，描述星系的结构和形态便成为了研究星系的最常用方法之一。经典的“哈勃音叉”序列根据形态将星系主要分为两大类：
椭圆星系：主要特点是形状光滑圆润，除了中心明亮的核球结构——由大量恒星聚集而成的密集区域——几乎没有其它明显的结构。
旋涡星系：具有显著的旋臂结构，具体又可依据核心区域结构分为有棒状结构的棒旋星系（SBa-SBc）和无棒状结构的正常旋涡星系（Sa-Sc）两种类型。
研究表明，大多数星系的中心都有一个核球，而星系的整体形态也在很大程度上取决于核球与盘的比例。如果核球较大，星系更可能呈现为球状或椭球状；如果盘占主导，星系则显得扁平，呈现出旋涡形态。这意味着，核盘比是星系形态分类中一个非常重要的物理指标。
银河系的结构，中心是一个核球。(图/ESA)
然而，当前宇宙中观测到的椭圆星系和星系核球结构是如何形成的呢？尽管理论研究提出了一些可能的假说，但从观测上验证这些理论仍然是星系研究领城的一大挑战。
上世纪九十年代，随着哈勃空间望远镜成功发射，其里程碑式的发现推动人类对宇宙的认知取得革命性突破。研究表明，随着时间的推移，在宇宙历史的一个特别活跃的时期—— 宇宙正午（宇宙学红移为1至3，距今约80至120亿年前），星系中的恒星质量密度迅速演变，多达一半的恒星质量是在这一时期形成的。据推测，在这一时期，那些富含尘埃的星暴星系中异常活跃的恒星形成活动，很可能与星系中心核球结构的形成有着紧密的联系。
星暴星系M82。（图/NASA/CXC/JHU/D.Strickland/ESA/STScI/AURA/The Hubble Heritage Team/JPL-Caltech/Univ. of AZ/C. Engelbracht）
那么，如何从观测上证实这些遥远的星暴星系与当前宇宙中较为年老的椭圆星系之间的演化关联？一直以来，这是早期宇宙星系研究领城亟待回答的重要问题之一。
然而，想要研究这些星暴星系是非常困难的，这是因为恒星发出的紫外线和可见光容易被星际尘埃吸收。因此，天文学家把目光转向了穿透力更强的 亚毫米波。
透过亚毫米波窗口，窥见明珠
自从詹姆斯•克拉克•麦克斯韦望远镜（JCMT）的测辐射热计阵列（SCUBA）在850μm的亚毫米波段拍摄到宇宙深场的第一张图像以来，这一波段为我们打开了探索遥远宇宙的新窗口。
位于北半球的北部扩展毫米波阵列 （IRAM/NOEMA）和南半球的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA），凭借其无与伦比的灵敏度和空间分辩率，成为目前探测早期宇宙星系中冷气体和尘埃星际物质微弱信号的最重要工具。
ALMA。（图/ A. Duro/ESO）
得益于自动挖掘ALMA档案数据项目（A³COSMOS 和 A ³GOODSS） 提供的宇宙深场遥远星系大样本资料，我们通过在亚毫米波段筛选高信噪比的数据，详细且精确地测量了一批处于宇宙正午时期、亚毫米波辐射明亮的、大质量星暴星系的形态结构参数，发现了遥远的早期宇宙星暴星系中心原位核球形成的证据。
通过亚毫米波段的独特视角，结合创新的分析技术，我们发现，样本中的大多数星系，其亚毫米波辐射强度分布明显不同于盘状星系光辐射强度的典型分布。实际上， 这些星系的尘埃辐射高度集中在一个非常小的核心区域，这表明这些星系的核心区域很可能已经形成了类似核球的结构。
对星系几何形状的详细分析则给出更确凿的证据。通过使用三轴模型来研究观测到的星系轴比分布，我们发现，样本中的大多数星系呈现出三轴椭球形的几何特征，而不是传统认为的扁平盘状结构。具体来说，这些星系的最短轴大约是最长轴的一半，而且最短轴和最长轴的比值会随星系内部恒星形成活跃程度的增加而变大。这些研究结果表明，在宇宙早期的星暴星系中，极端活跃的恒星形成活动可能导致星系中心区域大量恒星质量的快速积累，进而促进了核球结构的形成。
早期宇宙星暴星系中原位核球形成过程及其与当前宇宙椭圆星系间可能演化关系的示意图。（图/Q. Tan）
研究团队进一步采用了先进的宇宙学流体力学模拟，以探索早期星暴星系中核球结构形成的起源。模拟结果显示，冷气体吸积流入星系以及星系相互作用触发的剧烈恒星形成活动，很可能是导致这些星系核球结构形成的主要原因。这一过程在早期宇宙中非常普遍，被认为是大多数星系核球结构形成的关键时期。这项发现有望重新定义星系形成机制。
探索宇宙的前世今生
这项研究首次揭示了在早期宇宙中，星系核球结构可以通过高亮度星暴星系核区的强烈恒星形成活动直接形成。这一发现为探究星系核球是如何形成及其随时间的演化提供了至关重要的观测证据，对星系形成和演化理论的研究将产生深远影响。
中国巡天空间望远镜。
随着技术的发展，天文学家将继续借助更先进的设备（如中国巡天空间望远镜）进一步研究早期宇宙星系的结构和演化过程。这些探索不仅帮助解答星系核球形成的奥秘，还将为理解宇宙演化历程提供新的启示。
#创作团队：
撰文：谈清华（中国科学院紫金山天文台）
#参考来源：
#图片来源：
封面图/首图： NASA/CXC/JHU/D.Strickland/ESA/STScI/AURA/The Hubble Heritage Team/JPL-Caltech/Univ. of AZ/C. Engelbracht
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