Wolfe盤星係的藝術圖。（圖片來源：NRAO AUI NSF, S. Dagnello）

根據傳(chuan) 統的理論，星係的誕生，需要經曆一個(ge) 漫長的氣體(ti) 冷卻過程。而在發表於(yu) 《自然》雜誌的研究中，天文學家發現了迄今為(wei) 止最古老的星係，其出現時間遠遠早於(yu) 傳(chuan) 統星係模型的預測。這個(ge) 誕生於(yu) 125億(yi) 年前，具有旋轉盤結構的巨大星係，為(wei) 另一種星係形成理論提供了有力的證據。

首先讓我們(men) 來看看，描述星係形成過程的標準模型是怎樣的。在這個(ge) 理論中，氣體(ti) 在暗物質暈中間或周圍聚集，融合成更大的結構，而恒星正是從(cong) 中誕生。值得注意的是，當這些氣體(ti) 進入新生星係的中心時，氣體(ti) 會(hui) 被加熱到極高的溫度，因此氣體(ti) 在開始形成恒星之前，必須花費相當長的時間來冷卻。

與(yu) 之對應的，則是冷吸積模型。最近的模擬表明，沿暗物質細絲(si) 流入年輕星係內(nei) 部的氣體(ti) 可以保持較低的溫度，從(cong) 而跳過氣體(ti) 冷卻的步驟，使盤星係快速凝結、恒星更快地形成。這些“冷啟動”星係可以形成類似銀河係的螺旋狀圓盤。

到目前為(wei) 止，對於(yu) 大多數早期星係，觀測者已經成功地識別出了沒有圓盤的不規則星團，它們(men) 在與(yu) 原星係的反複碰撞中，形狀被扭曲，氣體(ti) 被加熱。天文學家確實發現了一些誕生於(yu) 宇宙曆史的最初幾十億(yi) 年中的盤狀星係。但一些研究人員認為(wei) ，這些天體(ti) 誕生的時間還不夠早，因此有足夠的時間讓氣體(ti) 冷卻下來，這使得它們(men) 的起源變得難以確定。

而這項最新研究的發現，為(wei) 冷吸積模型提供了確鑿的證據。“我們(men) 發現了一個(ge) 含有大量低溫氣體(ti) 的星係，”該研究的第一作者，馬克斯-普朗克天文研究所的天文學家Marcel Neeleman說，“如果它是通過熱吸積過程形成的，在那個(ge) 時間點，它根本不會(hui) 存在。”

加州大學聖迭戈分校研究星係演化的天文學家Coral Wheeler對此表示讚同。她說，盤星係“為(wei) 冷吸積模型提供了非常有力的證據。”

Neeleman和同事表示，這一新發現意味著大部分初代星係是通過冷吸積或與(yu) 其他年輕星係碰撞形成的。

尋找“陰影”

長期以來，研究人員一直在爭(zheng) 論注入最早星係的氣體(ti) 是熱的還是冷的。模擬結果傾(qing) 向於(yu) 低溫氣體(ti) ，但另一些科學家對這些模擬出來的結論的有效性提出了質疑。他們(men) 認為(wei) ，這些模型簡化了星係中許多顯著的環境效應，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(ti) 。

富蘭(lan) 克林馬歇爾學院的天體(ti) 物理學家Ryan Trainor說：“在過去幾十年裏，這個(ge) 問題一直存在爭(zheng) 議。”尋找早期星係的挑戰之一，是需要有足夠大而明亮的目標，讓我們(men) 在遙遠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(ti) 是最有可能被觀測到的。為(wei) 了糾正這個(ge) 偏差，Neeleman和同事決(jue) 定采用一種由已故天文學家Arthur Wolfe開創的方法。他們(men) 利用智利的阿塔卡馬大型毫米波/亞(ya) 毫米波陣列（ALMA），在類星體(ti) （已知的宇宙中最亮的天體(ti) ）前搜尋星係。當來自類星體(ti) 的光穿過它前方的星係時，該星係的氣體(ti) 會(hui) 吸收一部分光，形成“陰影”。

通過使用ALMA研究陰影（吸收線），天文學家可以追蹤2017年發現的DLA0817g星係中黯淡的氣體(ti) 的旋轉。他們(men) 給它起了個(ge) 綽號叫“沃爾夫星盤”（Wolfe Disk），以紀念Arthur Wolfe。哈勃空間望遠鏡的後續觀測揭示了銀河係中一些最亮的恒星，科學家通過這些恒星估算出，沃爾夫星盤每年平均產(chan) 生16顆太陽大小的恒星。通過哈勃空間望遠鏡的觀測還發現，阻擋類星體(ti) 的氣體(ti) 並非來自DLA0817g的中心，而是來自星係的外緣。在這個(ge) 區域，氣體(ti) 應該會(hui) 變薄而不是變厚。因此研究人員懷疑他們(men) 看到的，是暗物質細絲(si) 將氣體(ti) 導入沃爾夫星盤。

ALMA望遠鏡下Wolfe Disk的放射圖，此時宇宙的年齡隻有現在的十分之一 。圖片來源：ALMA (ESO NAOJ NRAO), M. Neeleman; NRAO AUI NSF, S. Dagnello

“我們(men) 無法證明是暗物質細絲(si) 的作用，但它遠遠超出了銀河係的恒星形成區域。”論文共同作者，加州大學聖克魯斯分校天文學家J.Xavier Prochaska說。

普遍存在？

通過使用類星體(ti) ，研究小組希望消除先前的研究所麵臨(lin) 的觀測偏差。在某種程度上，他們(men) 成功了。西澳大利亞(ya) 大學的天文學家Alfred Tiley說：“通過這種方式，你有可能對星係進行更合理的采樣。”

但也有人提出反對意見。Trainor認為(wei) Neeleman等人的新方法避免了亮度導致的觀測偏差，但也可能產(chan) 生新的偏差。“他們(men) 的技術傾(qing) 向於(yu) 尋找穩定的旋轉圓盤。”他說。由冷星係形成的巨大圓盤比更致密的星係更可能遮住類星體(ti) 。“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。”這個(ge) 比喻並沒有在貶低這項技術，他稱之為(wei) “一個(ge) 真正有用且有互補性的工具”。

雖然Prochaska也認為(wei) 較大的星係更有可能阻擋類星體(ti) ，但他同時認為(wei) ，在類星體(ti) 前方，沃爾夫星盤邊緣的氣體(ti) 不一定與(yu) 星係結構有關(guan) 。類星體(ti) 遮擋物周圍的大量氣體(ti) 分布可能來自星係周圍的球狀氣體(ti) 殼層，也可能來自將氣體(ti) 注入其中的絲(si) 狀結構。

Trainor提出質疑的另一個(ge) 問題是，像沃爾夫星盤這樣的星係在早期宇宙中是否普遍存在？他不認為(wei) 一個(ge) 星係就足以證明冷吸積決(jue) 定了早期星係的形成。但新的星係可能很快就會(hui) 被發現。Neeleman的團隊計劃繼續使用ALMA來研究類星體(ti) 陰影星係，希望能找到更多這樣的星係。未來，更多對類似星係的研究將確定冷吸積模式是否是星係形成的普遍方式。

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

撰文 | Nola Taylor Redd

編譯 | 賀白

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