Wolfe盤星系的藝術(shù)圖。（圖片來(lái)源：NRAO AUI NSF, S. Dagnello）

根據(jù)傳統(tǒng)的理論，星系的誕生，需要經(jīng)歷一個(gè)漫長(zhǎng)的氣體冷卻過程。而在發(fā)表于《自然》雜志的研究中，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了迄今為止最古老的星系，其出現(xiàn)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于傳統(tǒng)星系模型的預(yù)測(cè)。這個(gè)誕生于125億年前，具有旋轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)的巨大星系，為另一種星系形成理論提供了有力的證據(jù)。

首先讓我們來(lái)看看，描述星系形成過程的標(biāo)準(zhǔn)模型是怎樣的。在這個(gè)理論中，氣體在暗物質(zhì)暈中間或周圍聚集，融合成更大的結(jié)構(gòu)，而恒星正是從中誕生。值得注意的是，當(dāng)這些氣體進(jìn)入新生星系的中心時(shí)，氣體會(huì)被加熱到極高的溫度，因此氣體在開始形成恒星之前，必須花費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)冷卻。

與之對(duì)應(yīng)的，則是冷吸積模型。最近的模擬表明，沿暗物質(zhì)細(xì)絲流入年輕星系內(nèi)部的氣體可以保持較低的溫度，從而跳過氣體冷卻的步驟，使盤星系快速凝結(jié)、恒星更快地形成。這些“冷啟動(dòng)”星系可以形成類似銀河系的螺旋狀圓盤。

到目前為止，對(duì)于大多數(shù)早期星系，觀測(cè)者已經(jīng)成功地識(shí)別出了沒有圓盤的不規(guī)則星團(tuán)，它們?cè)谂c原星系的反復(fù)碰撞中，形狀被扭曲，氣體被加熱。天文學(xué)家確實(shí)發(fā)現(xiàn)了一些誕生于宇宙歷史的最初幾十億年中的盤狀星系。但一些研究人員認(rèn)為，這些天體誕生的時(shí)間還不夠早，因此有足夠的時(shí)間讓氣體冷卻下來(lái)，這使得它們的起源變得難以確定。

而這項(xiàng)最新研究的發(fā)現(xiàn)，為冷吸積模型提供了確鑿的證據(jù)。“我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)含有大量低溫氣體的星系，”該研究的第一作者，馬克斯-普朗克天文研究所的天文學(xué)家Marcel Neeleman說(shuō)，“如果它是通過熱吸積過程形成的，在那個(gè)時(shí)間點(diǎn)，它根本不會(huì)存在?！?/p>

加州大學(xué)圣迭戈分校研究星系演化的天文學(xué)家Coral Wheeler對(duì)此表示贊同。她說(shuō)，盤星系“為冷吸積模型提供了非常有力的證據(jù)?！?/p>

Neeleman和同事表示，這一新發(fā)現(xiàn)意味著大部分初代星系是通過冷吸積或與其他年輕星系碰撞形成的。

尋找“陰影”

長(zhǎng)期以來(lái)，研究人員一直在爭(zhēng)論注入最早星系的氣體是熱的還是冷的。模擬結(jié)果傾向于低溫氣體，但另一些科學(xué)家對(duì)這些模擬出來(lái)的結(jié)論的有效性提出了質(zhì)疑。他們認(rèn)為，這些模型簡(jiǎn)化了星系中許多顯著的環(huán)境效應(yīng)，例如超新星和黑洞的反饋過程，而這些反饋可以加熱或是冷卻氣體。

富蘭克林馬歇爾學(xué)院的天體物理學(xué)家Ryan Trainor說(shuō)：“在過去幾十年里，這個(gè)問題一直存在爭(zhēng)議?！睂ふ以缙谛窍档奶魬?zhàn)之一，是需要有足夠大而明亮的目標(biāo)，讓我們?cè)谶b遠(yuǎn)的距離之外也能觀測(cè)到。因此，這就在無(wú)意間造成了偏差：最明亮的物體是最有可能被觀測(cè)到的。為了糾正這個(gè)偏差，Neeleman和同事決定采用一種由已故天文學(xué)家Arthur Wolfe開創(chuàng)的方法。他們利用智利的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA），在類星體（已知的宇宙中最亮的天體）前搜尋星系。當(dāng)來(lái)自類星體的光穿過它前方的星系時(shí)，該星系的氣體會(huì)吸收一部分光，形成“陰影”。

通過使用ALMA研究陰影（吸收線），天文學(xué)家可以追蹤2017年發(fā)現(xiàn)的DLA0817g星系中黯淡的氣體的旋轉(zhuǎn)。他們給它起了個(gè)綽號(hào)叫“沃爾夫星盤”（Wolfe Disk），以紀(jì)念A(yù)rthur Wolfe。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的后續(xù)觀測(cè)揭示了銀河系中一些最亮的恒星，科學(xué)家通過這些恒星估算出，沃爾夫星盤每年平均產(chǎn)生16顆太陽(yáng)大小的恒星。通過哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)還發(fā)現(xiàn)，阻擋類星體的氣體并非來(lái)自DLA0817g的中心，而是來(lái)自星系的外緣。在這個(gè)區(qū)域，氣體應(yīng)該會(huì)變薄而不是變厚。因此研究人員懷疑他們看到的，是暗物質(zhì)細(xì)絲將氣體導(dǎo)入沃爾夫星盤。

ALMA望遠(yuǎn)鏡下Wolfe Disk的放射圖，此時(shí)宇宙的年齡只有現(xiàn)在的十分之一 。圖片來(lái)源：ALMA (ESO NAOJ NRAO), M. Neeleman; NRAO AUI NSF, S. Dagnello

“我們無(wú)法證明是暗物質(zhì)細(xì)絲的作用，但它遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了銀河系的恒星形成區(qū)域?！闭撐墓餐髡撸又荽髮W(xué)圣克魯斯分校天文學(xué)家J.Xavier Prochaska說(shuō)。

普遍存在？

通過使用類星體，研究小組希望消除先前的研究所面臨的觀測(cè)偏差。在某種程度上，他們成功了。西澳大利亞大學(xué)的天文學(xué)家Alfred Tiley說(shuō)：“通過這種方式，你有可能對(duì)星系進(jìn)行更合理的采樣?！?/p>

但也有人提出反對(duì)意見。Trainor認(rèn)為Neeleman等人的新方法避免了亮度導(dǎo)致的觀測(cè)偏差，但也可能產(chǎn)生新的偏差。“他們的技術(shù)傾向于尋找穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)圓盤?！彼f(shuō)。由冷星系形成的巨大圓盤比更致密的星系更可能遮住類星體?！斑@就像向飛鏢板投擲飛鏢，”Trainor說(shuō)，“更大的飛鏢板更容易被擊中?！边@個(gè)比喻并沒有在貶低這項(xiàng)技術(shù)，他稱之為“一個(gè)真正有用且有互補(bǔ)性的工具”。

雖然Prochaska也認(rèn)為較大的星系更有可能阻擋類星體，但他同時(shí)認(rèn)為，在類星體前方，沃爾夫星盤邊緣的氣體不一定與星系結(jié)構(gòu)有關(guān)。類星體遮擋物周圍的大量氣體分布可能來(lái)自星系周圍的球狀氣體殼層，也可能來(lái)自將氣體注入其中的絲狀結(jié)構(gòu)。

Trainor提出質(zhì)疑的另一個(gè)問題是，像沃爾夫星盤這樣的星系在早期宇宙中是否普遍存在？他不認(rèn)為一個(gè)星系就足以證明冷吸積決定了早期星系的形成。但新的星系可能很快就會(huì)被發(fā)現(xiàn)。Neeleman的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃繼續(xù)使用ALMA來(lái)研究類星體陰影星系，希望能找到更多這樣的星系。未來(lái)，更多對(duì)類似星系的研究將確定冷吸積模式是否是星系形成的普遍方式。

原文鏈接：

https://www.scientificamerican.com/article/astronomers-get-earliest-ever-glimpse-of-ancient-giant-galaxy/

原始論文：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2276-y

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撰文?| Nola Taylor Redd

編譯 | 賀白

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