夜空中，最引人注目的便是橫亙天際的銀河。我們的地球以及太陽系也是龐大銀河系中的“滄海一粟”。然而，對于如銀河系這樣的大質量星系如何形成與演化，其中的大質量星體又是如何誕生？目前的科學界并沒有作出很好的解釋。

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，證實了重元素豐度較高的“循環內流”是驅動星系恒星形成的關鍵，這邁出了理解星系“生態系統”及星系演化的重要一步。

5月5日，相關研究成果以長文形式在線發表于《科學》。

傳統理論與觀察相悖

一提到星系，人們首先想到往往的是一個在宇宙真空中不停旋轉的“大圓盤”，但隨著近年來科學界對星系認知的突飛猛進，人們發現很多星系是生長在一個“氣體環境”中的——星系周圍存在著龐大的暗物質暈，其中富含各種各樣的氣體。星系不停地從周圍獲得氣體，并形成流向星系的“內流”。同時，星系中心的巨型黑洞又將巨量的引力勢能轉化為光能，將星系內部的氣體推到大尺度空間，從而形成一個“宇宙生態系統”（cosmic ecosystem）。

2021年美國公布的未來十年天體物理規劃中，“宇宙生態系統”被列為了需要解決的重要問題之一。這其中的一個關鍵問題便是解釋大質量星系形成演化的機制。

“傳統理論認為，大質量星系由于具有巨大的引力勢能，導致物質在塌縮過程中被激波加熱，使流入星系的氣體產生很高的溫度，并無法有效冷卻，從而不能順利聚在一起形成恒星?！笔茉L時，清華大學天文系教授蔡崢表示。

然而，這一理論與最新的觀測是相悖的，因為人們已經在非常早期的宇宙中發現有的大質量星系內部正在劇烈地形成恒星?！斑@意味著人們還沒有充分理解氣體流入星系的詳細過程，流入的氣體驅動恒星形成的過程也沒有被揭示?！辈虓樥f。

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氣體進入星系細節  清華大學供圖

掉頭“返回“的氣流

蔡崢團隊對于相關問題的探究已經持續多年。這一過程中，他們于2017年發現了一顆110億光年外的星系，該星系的尺度雖不足十萬光年，但蔡崢團隊卻在星系周圍150萬光年范圍內探測到了大量氣體。

“這些氣體的密度很大，以至于可以發出一定亮度的光，這就給我們的觀測提供了很大便利?！辈虓槇F隊利用先進的成像光譜儀，成功探測到了該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。

然而，根據這一結果形成的圖像卻令團隊成員感到很困惑——他們發現，在至少100千秒差距（天文學度量單位,1千個秒差距約為3260光年）的范圍內，該區域的重元素分布豐度與太陽周邊的重元素分布豐度大體相當。

“打個比方，如果將太陽系周邊比作一座繁華都市的話，我們探測的區域就是西部荒涼的無人區。但探測結果顯示，這兩個地區的商店（重元素）分布密度是差不多了，這顯然令人很難理解?！辈虓樥f。

面對這樣一張重元素分布圖，研究團隊首先將可能的成因解釋為星系內部重元素的大量噴發，但這種解釋并不能與實際觀測到的星系物質的動力學現象相吻合。對此，團隊成員經過了大量思考和求證，在此過程中，清華大學天文系教授許丹丹的一番話給了蔡崢很大的啟發。

“如果假設星系內布富含重元素的氣體被推離星系后并不是一直往外，而是掉頭，以一定的角動量向里流，應該能解釋你們看到的動力學現象?！痹S丹丹說。

通過進一步的光譜和數值模擬分析，研究團隊發現，這些富含重元素的電離氣體極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”。這一模式與團隊實際觀測到的動力學現象完美契合。

首次清晰呈現的圖景

通過對觀測到的氣體動力學進行建模，一副雄偉的宇宙圖景呈現在團隊成員面前——星系通過光壓，不斷將氣體推向周圍的暗物質暈。與此同時，三條如銀河系懸臂一樣，但比銀河系懸臂大得多、分布在暗物質暈中的巨型“懸臂”結構以一定的角度和角動量通向星系內部，大量的氣體由此流向星系，從而形成一個跨度達兩百萬光年的巨大循環。

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氣體的內流與循環內流和星系形成緊密相關  清華大學供圖

“這一發現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’（recycling inflow）是驅動早期宇宙大質量星系形成的重要機制?！辈虓樥f，該發現也進一步解釋了早期星系中大質量星體的形成原因。

他解釋說，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，因此才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，后者如像泥土一樣，又把那些“施肥”的氣體反饋給星系，“滋養”出一顆顆新的恒星?！斑@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’?！辈虓樥f，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。此次是他們首次通過觀測把該圖景清晰地展現出來。

蔡崢表示，此次研究成果只是針對一個大質量星系。今后，他們可以針對更多不同質量、不同環境的大質量星系進行成像，并詳細理解星系如何演化至今。同時，目前人們對星系的研究與宇宙學研究是相互聯系的，此項研究對于人們深入研究諸如“暗物質”“暗能量”等宇宙學難題也會起到一定的作用。

相關論文信息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj9192