清华大学团队首次探测到星系形成演化“内驱力”

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日前，清华大学天文系团队通过全波段数据，直接探测到早期宇宙中星系周围气体进入星系的详细过程，证实重元素丰度较高的“循环内流”是驱动星系恒星形成的关键，为理解星系“生态系统”及星系演化迈出重要一步。相关研究成果5月5日以长文形式在线发表于《科学》期刊。

星系吸积星系外气体形成恒星的详细过程，一直是天体物理学研究的热点。近期公布的美国未来十年天体物理规划中，特别将“宇宙生态系统”作为需要解决的重要问题之一，其中一个关键是大质量星系形成演化的机制问题。理论认为，对于大质量星系而言，由于其本身巨大的引力势能，导致物质在塌缩过程中被激波加热，使流入星系的气体具有很高的温度，无法有效冷却，从而不能顺利聚在一起、形成恒星。然而，这一理论与新的观测相悖，因为在非常早期的宇宙中，已发现有的大质量星系内部也正在剧烈地形成恒星。这也就意味着，人们还没有充分理解气体流入星系的详细过程，流入的气体又是如何驱动恒星形成过程也未被揭示。

为了揭开这一谜题，来自清华大学的蔡峥教授团队，利用世界上最大的光学望远镜——“凯克”对距今110亿年的一个巨大的气体星云进行观测，并利用先进的成像光谱仪——“宇宙网成像器”，成功探测到星系周围气体的氢元素以及多种重元素辐射，并进一步估计出重元素的大尺度空间分布。这也意味着在宇宙早期，星系周围气体已经富含重元素。通过进一步的光谱和数值模拟分析发现，这些富含重元素的电离气体，极为可能是早先被星系中心的活动星系核喷射到星系周围，通过复合辐射、禁戒跃迁辐射等过程冷却下来，在引力和环境角动量共同作用下，重新回流入星系，形成“循环冷气体流”。对观测到的气体动力学建模进一步表明，循环气体流是朝星系流入的，可以促进和维持恒星形成活动。

本次发现对星系如何与大尺度环境进行物质交换提供清晰的图景，表明“循环气体流”是驱动早期宇宙大质量星系形成的重要机制。该发现为理解星系生态系统、星系形成和演化迈出关键的一步。未来，结合更大口径、更大视场的光谱巡天望远镜（例如清华大学正在筹备的MUST巡天望远镜），将使人类有望揭示星系中恒星形成的全貌。

清华大学蔡峥教授为项目牵头人、文章通讯作者、共同第一作者；博士生张世武为论文的第一作者，清华大学许丹丹教授等提供了重要的理论支持。合作单位包括日本早稻田大学、德国马克斯-普朗克研究所、加州大学、浙江大学、普林斯顿大学、犹他大学、广州大学、北京大学、厦门大学、深圳技术大学、亚利桑那大学、中国科学院国家天文台、上海天文台、青海大学等。

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