澎湃新聞記者 程婷

澎湃新聞從清華大學(xué)獲悉，日前，清華天文系副教授蔡崢團隊通過全波段數(shù)據(jù)，首次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（指除去氫和氦之外的所有化學(xué)元素）豐度較高的“循環(huán)內(nèi)流”是驅(qū)動星系恒星形成的關(guān)鍵，為理解星系“生態(tài)系統(tǒng)”及星系演化邁出重要一步。

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相關(guān)研究成果于5月5日以長文形式（research articles）在線發(fā)表于《科學(xué)》（Science）雜志。

氣體進入星系細節(jié)，揭開大質(zhì)量星系恒星形成之謎。清華大學(xué) 供圖

星系吸積（指致密天體由引力俘獲周圍物質(zhì)的過程）星系外氣體形成恒星的詳細過程，一直是天體物理學(xué)研究的熱點。近期公布的美國未來十年天體物理規(guī)劃中，特別將“宇宙生態(tài)系統(tǒng)”（cosmic ecosystem）作為需要解決的重要問題之一，其中的一個關(guān)鍵是大質(zhì)量星系形成演化的機制問題。

理論認為，對于大質(zhì)量星系而言，由于其本身巨大的引力勢能（物體、特別指天體，在引力場中具有的勢能），導(dǎo)致物質(zhì)在塌縮過程中被激波加熱，使流入星系的氣體具有很高的溫度，無法有效冷卻，從而不能順利聚在一起、形成恒星。

然而，這一理論與新的觀測相悖，因為在非常早期的宇宙中，已發(fā)現(xiàn)有的大質(zhì)量星系內(nèi)部也正在劇烈地形成恒星。這就意味著，人們還沒有充分理解氣體流入星系的詳細過程，流入的氣體又是如何驅(qū)動恒星形成過程也未被揭示。

氣體的內(nèi)流與循環(huán)內(nèi)流和星系形成緊密相關(guān)。清華大學(xué) 供圖

為了揭開這一謎題，蔡崢團隊借助世界上最大的光學(xué)望遠鏡——“凱克”對距今110億年的一個巨大的氣體星云進行了觀測，并利用其先進的成像光譜儀——“宇宙網(wǎng)成像器”，成功探測到了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。這也意味著，在距今110億年前的宇宙早期，星系周圍氣體已經(jīng)富含重元素。

蔡崢向澎湃新聞表示，他的團隊基于他們前期四五年積累的觀測研究數(shù)據(jù)，通過三年時間進一步對光譜和數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，這些富含重元素的電離氣體，被星系中心的活動星系核噴射到星系周圍，通過復(fù)合輻射、禁戒躍遷輻射等過程冷卻下來，在引力和環(huán)境角動量共同作用下，重新回流入星系，形成“循環(huán)內(nèi)流”，這樣的氣體流被認為可以加速恒星形成。這也是世界首次對“循環(huán)內(nèi)流”進行了直接成像。

蔡崢介紹，本次發(fā)現(xiàn)對星系如何與大尺度環(huán)境進行物質(zhì)交換提供了清晰的圖景，表明“循環(huán)氣體流”（recycling inflow）是驅(qū)動早期宇宙大質(zhì)量星系形成的重要機制。該發(fā)現(xiàn)為理解星系生態(tài)系統(tǒng)、星系形成和演化邁出了關(guān)鍵的一步。未來，結(jié)合更大口徑、更大視場的光譜巡天望遠鏡（例如清華正在籌備、將于2029年建成的MUST巡天望遠鏡），將讓人們有望揭示星系中恒星形成的全貌。

蔡崢為該項目主要研究者，文章通訊作者、共同第一作者；清華博士生張世武為論文的第一作者。來自國內(nèi)外的多所大學(xué)及研究機構(gòu)合作參與了該項目。