清华研究团队成果首次对星系“循环内流”进行直接成像|通讯

澎湃新闻记者 程婷

澎湃新闻从清华大学获悉，日前，清华天文系副教授蔡峥团队通过全波段数据，首次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，证实了重元素（指除去氢和氦之外的所有化学元素）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。

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相关研究成果于5月5日以长文形式（research articles）在线发表于《科学》（Science）杂志。

气体进入星系细节，揭开大质量星系恒星形成之谜。清华大学 供图

星系吸积（指致密天体由引力俘获周围物质的过程）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”（cosmic ecosystem）作为需要解决的重要问题之一，其中的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（物体、特别指天体，在引力场中具有的势能），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。

气体的内流与循环内流和星系形成紧密相关。清华大学 供图

为了揭开这一谜题，蔡峥团队借助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了观测，并利用其先进的成像光谱仪——“宇宙网成像器”，成功探测到了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，在距今110亿年前的宇宙早期，星系周围气体已经富含重元素。

蔡峥向澎湃新闻表示，他的团队基于他们前期四五年积累的观测研究数据，通过三年时间进一步对光谱和数值模拟分析发现，这些富含重元素的电离气体，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“循环内流”，这样的气体流被认为可以加速恒星形成。这也是世界首次对“循环内流”进行了直接成像。

蔡峥介绍，本次发现对星系如何与大尺度环境进行物质交换提供了清晰的图景，表明“循环气体流”（recycling inflow）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了关键的一步。未来，结合更大口径、更大视场的光谱巡天望远镜（例如清华正在筹备、将于2029年建成的MUST巡天望远镜），将让人们有望揭示星系中恒星形成的全貌。

蔡峥为该项目主要研究者，文章通讯作者、共同第一作者；清华博士生张世武为论文的第一作者。来自国内外的多所大学及研究机构合作参与了该项目。

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