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宇宙中最古老的星系现身,挑战星系形成理论

时间: 2020年05月22日 | 作者: Nola Taylor Redd | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
最新研究中,天文学家发现了迄今为止最古老的星系,其出现时间远远早于传统星系模型的预测。这个诞生于125亿年前,具有旋转盘结构的巨大星系,为另一种星系形成理论提供了有力


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Wolfe盘星系的艺术图。(图片来源:NRAO AUI NSF, S. Dagnello)


撰文 | Nola Taylor Redd

编译 | 贺白

编辑 | 吴非


首先让我们来看看,描述星系形成过程的标准模型是怎样的。在这个理论中,气体在暗物质晕中间或周围聚集,融合成更大的结构,而恒星正是从中诞生。值得注意的是,当这些气体进入新生星系的中心时,气体会被加热到极高的温度,因此气体在开始形成恒星之前,必须花费相当长的时间来冷却。


与之对应的,则是冷吸积模型。最近的模拟表明,沿暗物质细丝流入年轻星系内部的气体可以保持较低的温度,从而跳过气体冷却的步骤,使盘星系快速凝结、恒星更快地形成。这些“冷启动”星系可以形成类似银河系的螺旋状圆盘。


到目前为止,对于大多数早期星系,观测者已经成功地识别出了没有圆盘的不规则星团,它们在与原星系的反复碰撞中,形状被扭曲,气体被加热。天文学家确实发现了一些诞生于宇宙历史的最初几十亿年中的盘状星系。但一些研究人员认为,这些天体诞生的时间还不够早,因此有足够的时间让气体冷却下来,这使得它们的起源变得难以确定。


而这项最新研究的发现,为冷吸积模型提供了确凿的证据。“我们发现了一个含有大量低温气体的星系,”该研究的第一作者,马克斯-普朗克天文研究所的天文学家Marcel Neeleman说,“如果它是通过热吸积过程形成的,在那个时间点,它根本不会存在。”


加州大学圣迭戈分校研究星系演化的天文学家Coral Wheeler对此表示赞同。她说,盘星系“为冷吸积模型提供了非常有力的证据。”


Neeleman和同事表示,这一新发现意味着大部分初代星系是通过冷吸积或与其他年轻星系碰撞形成的。


寻找“阴影”


长期以来,研究人员一直在争论注入最早星系的气体是热的还是冷的。模拟结果倾向于低温气体,但另一些科学家对这些模拟出来的结论的有效性提出了质疑。他们认为,这些模型简化了星系中许多显著的环境效应,例如超新星和黑洞的反馈过程,而这些反馈可以加热或是冷却气体。


富兰克林马歇尔学院的天体物理学家Ryan Trainor说:“在过去几十年里,这个问题一直存在争议。”寻找早期星系的挑战之一,是需要有足够大而明亮的目标,让我们在遥远的距离之外也能观测到。因此,这就在无意间造成了偏差:最明亮的物体是最有可能被观测到的。为了纠正这个偏差,Neeleman和同事决定采用一种由已故天文学家Arthur Wolfe开创的方法。他们利用智利的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列(ALMA),在类星体(已知的宇宙中最亮的天体)前搜寻星系。当来自类星体的光穿过它前方的星系时,该星系的气体会吸收一部分光,形成“阴影”。


通过使用ALMA研究阴影(吸收线),天文学家可以追踪2017年发现的DLA0817g星系中黯淡的气体的旋转。他们给它起了个绰号叫“沃尔夫星盘”(Wolfe Disk),以纪念Arthur Wolfe。哈勃空间望远镜的后续观测揭示了银河系中一些最亮的恒星,科学家通过这些恒星估算出,沃尔夫星盘每年平均产生16颗太阳大小的恒星。通过哈勃空间望远镜的观测还发现,阻挡类星体的气体并非来自DLA0817g的中心,而是来自星系的外缘。在这个区域,气体应该会变薄而不是变厚。因此研究人员怀疑他们看到的,是暗物质细丝将气体导入沃尔夫星盘。


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ALMA望远镜下Wolfe Disk的放射图,此时宇宙的年龄只有现在的十分之一 。图片来源:ALMA (ESO NAOJ NRAO), M. Neeleman; NRAO AUI NSF, S. Dagnello


“我们无法证明是暗物质细丝的作用,但它远远超出了银河系的恒星形成区域。”论文共同作者,加州大学圣克鲁斯分校天文学家J.Xavier Prochaska说。


普遍存在?


通过使用类星体,研究小组希望消除先前的研究所面临的观测偏差。在某种程度上,他们成功了。西澳大利亚大学的天文学家Alfred Tiley说:“通过这种方式,你有可能对星系进行更合理的采样。”


但也有人提出反对意见。Trainor认为Neeleman等人的新方法避免了亮度导致的观测偏差,但也可能产生新的偏差。“他们的技术倾向于寻找稳定的旋转圆盘。”他说。由冷星系形成的巨大圆盘比更致密的星系更可能遮住类星体。“这就像向飞镖板投掷飞镖,”Trainor说,“更大的飞镖板更容易被击中。”这个比喻并没有在贬低这项技术,他称之为“一个真正有用且有互补性的工具”。


虽然Prochaska也认为较大的星系更有可能阻挡类星体,但他同时认为,在类星体前方,沃尔夫星盘边缘的气体不一定与星系结构有关。类星体遮挡物周围的大量气体分布可能来自星系周围的球状气体壳层,也可能来自将气体注入其中的丝状结构。


Trainor提出质疑的另一个问题是,像沃尔夫星盘这样的星系在早期宇宙中是否普遍存在?他不认为一个星系就足以证明冷吸积决定了早期星系的形成。但新的星系可能很快就会被发现。Neeleman的团队计划继续使用ALMA来研究类星体阴影星系,希望能找到更多这样的星系。未来,更多对类似星系的研究将确定冷吸积模式是否是星系形成的普遍方式。


原文链接:

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

原始论文:

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