早期宇宙星暴星系中核球结构的形成过程以及这一过程与当今宇宙巨型椭圆星系演化联系示意图。受访者供图

■本报记者袁一雪

宇宙浩瀚无垠，存在许多星系。有的星系具有明显的螺旋臂结构，看起来像一个旋转的圆盘，充满了年轻的恒星和气体，被称为旋涡星系，比如人类所在的银河系；有的星系中央则有一个庞大而明亮的核球，由大量恒星聚集而成，星系形状接近圆形或椭圆形，这种星系属于比较古老的椭圆星系。

一直以来，椭圆星系的诞生原因成谜。为此，中国科学院紫金山天文台副研究员谈清华与中国、法国、德国、日本、英国和丹麦等多个国家的团队合作，瞄准大质量星暴星系的形态和结构特征展开研究。

研究团队通过亚毫米波段的独特视角和创新的分析技术，首次发现了早期宇宙中遥远星暴星系中心原位核球形成的确凿证据，为星暴星系很可能是今天椭圆星系前身的说法提供了证据，同时揭示了巨型椭圆星系的诞生过程，为理解这些星系的形成提供了新线索。相关研究结果发表于12月5日出版的《自然》。

了解星系形态与形成过程至关重要

“星系核球结构的形成一直是天文学研究的一个重要前沿问题。了解星系的形态和结构形成过程，对我们理解宇宙的演化过程至关重要。”谈清华在接受《中国科学报》采访时说。

20多年来，科学家借助哈勃太空望远镜和一些地面大型望远镜，在光学和近红外波段对遥远的早期宇宙星系进行了研究并取得大量成果。然而，大量出现于“宇宙正午”时期正在进行剧烈恒星形成活动的星暴星系富含尘埃，后者吸收了恒星发射的紫外线和可见光，因此在这些波段对它们进行研究非常困难。

不过，科学家很快发现，尽管星暴星系的紫外线和可见光难以捕捉，但是尘埃热辐射会“改头换面”，以远红外线和亚毫米波的形式出现。于是，亚毫米波段成为科学家研究这类天体新的观测窗口。

位于智利北部阿塔卡马沙漠的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波干涉阵列（ALMA）是目前国际上最先进的毫米波和亚毫米波望远镜之一，已连续工作10余年，是探测接收早期宇宙星系中冷气体和尘埃星际物质发出的微弱信号的最重要工具。

只不过，由于古老的星暴星系距离地球非常遥远，探测设备在灵敏度和空间分辨率上受到技术限制，科学家无法像研究附近的星系那样详细观察这些遥远的星系。因此，尽管有研究推测这些大质量星暴星系很可能是今天椭圆星系的前身，但证明这一点仍然是巨大挑战。

创新数据分析技术得出新结论

得益于团队合作的自动挖掘ALMA档案数据项目提供的宇宙深场遥远星系大样本资料，研究人员能够从海量数据中筛选出高信噪比的数据进行精确测量。

“这些数据是单个观测项目无法提供的，是我们研究取得突破性结果的重要条件之一。”谈清华表示，“此外，我们的研究还使用了创新的数据分析技术，相比传统分析方法显著提高了测量参数的精确度，确保了分析结果的可靠性。”

研究人员详细测量了星系中尘埃辐射沿径向的分布以及三维几何形状。最终结果显示，样本中大多数星系在亚毫米波段的辐射非常集中，核心区域呈现出类似椭球的几何结构。这些发现表明，在宇宙早期的星暴星系中，极端活跃的恒星形成活动可能导致大量恒星在星系中心快速聚集，从而促进了核球结构的形成。

“我们进一步采用先进的宇宙学流体力学模拟，探究了早期宇宙星暴星系核球结构形成的物理起源。模拟结果显示，冷气体吸积流入星系以及星系之间相互作用触发的剧烈恒星形成活动，很可能是导致这些星系核球结构形成的主要原因。”谈清华解释说。

关于星系核球结构的形成机制，目前的理论研究提出了几种可能的假说，但没有形成统一的结论，最终需要通过观测进行验证。谈清华说：“这篇论文基于观测研究提出的早期宇宙星暴星系中心的原位核球形成结论，将有助于完善相关理论，并可能重新定义星系形成机制。”

据介绍，这篇论文采用的创新数据分析技术，也将为星系亚毫米波研究提供重要的新方法，推动该领域发展。

下一步，研究人员计划继续充分利用ALMA望远镜的海量数据，研究早期宇宙星系中冷气体和尘埃星际物质的分布及其物理特征；同时，将借助先进的空间望远镜开展多波段研究，以获得更全面的观测数据。

“我们希望能够通过这些研究，绘制出早期宇宙星系形成的更完整图景，从而加深对宇宙随时间演化过程的理解。”谈清华说。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08201-6