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

根據(jù)傳統(tǒng)的理論，星系的誕生，需要經(jīng)歷一個漫長的氣體冷卻過程。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)時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于傳統(tǒng)星系模型的預(yù)測。這個誕生于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)。

首先讓我們來看看，描述星系形成過程的標(biāo)準(zhǔn)模型是怎樣的。在這個理論中，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，氣體會被加熱到極高的溫度，因此氣體在開始形成恒星之前，必須花費相當(dāng)長的時間來冷卻。

與之對應(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”星系可以形成類似銀河系的螺旋狀圓盤。

到目前為止，對于大多數(shù)早期星系，觀測者已經(jīng)成功地識別出了沒有圓盤的不規(guī)則星團(tuán)，它們在與原星系的反復(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，這些天體誕生的時間還不夠早，因此有足夠的時間讓氣體冷卻下來，這使得它們的起源變得難以確定。

而這項最新研究的發(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，“如果它是通過熱吸積過程形成的，在那個時間點，它根本不會存在?！?/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對此表示贊同。她說，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”

長期以來，研究人員一直在爭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)家對這些模擬出來的結(jié)論的有效性提出了質(zhì)疑。他們認(rèn)為，這些模型簡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：“在過去幾十年里，這個問題一直存在爭議。”尋找早期星系的挑戰(zhàn)之一，是需要有足夠大而明亮的目標(biāo)，讓我們在遙遠(yuǎn)的距離之外也能觀測到。因此，這就在無意間造成了偏差：最明亮的物體是最有可能被觀測到的。為了糾正這個偏差，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)來自類星體的光穿過它前方的星系時，該星系的氣體會吸收一部分光，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)。他們給它起了個綽號叫“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顆太陽大小的恒星。通過哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的觀測還發(fā)現(xiàn)，阻擋類星體的氣體并非來自DLA0817g的中心，而是來自星系的外緣。在這個區(qū)域，氣體應(yīng)該會變薄而不是變厚。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，此時宇宙的年齡只有現(xiàn)在的十分之一 。圖片來源：ALMA (ESO NAOJ NRAO), M. Neeleman; NRAO AUI NSF, S. Dagnello

“我們無法證明是暗物質(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。”論文共同作者，加州大學(xué)圣克魯斯分校天文學(xué)家J.Xavier Prochaska說。

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：“通過這種方式，你有可能對星系進(jìn)行更合理的采樣。”

但也有人提出反對意見。Trainor認(rèn)為Neeleman等人的新方法避免了亮度導(dǎo)致的觀測偏差，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。”他說。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。“這就像向飛鏢板投擲飛鏢，”Trainor說，“更大的飛鏢板更容易被擊中?！边@個比喻并沒有在貶低這項技術(shù)，他稱之為“一個真正有用且有互補(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自星系周圍的球狀氣體殼層，也可能來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被發(fā)現(xiàn)。Neeleman的團(tuán)隊計劃繼續(xù)使用ALMA來研究類星體陰影星系，希望能找到更多這樣的星系。未來，更多對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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