早期宇宙中一个巨大的棒旋星系令天文学家们感到震惊，它以银河系300 倍的速度形成恒星，而且没有星系碰撞的迹象。研究人员利用韦伯太空望远镜和阿尔玛（ALMA）望远镜阵列，发现其富含气体、形状与现代螺旋星系相似的棒状结构很可能引发强烈的中心星暴。
左图：詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的邻近星系VV114及其背景巨型棒旋星系J0107a（z=2.433）的近红外图像。图片来源：NASA。右图：J0107a的恒星和分子气体分布。图片来源：NASA、ALMA（ESO/NAOJ/NRAO）、Huang等人。
这推翻了此前认为巨型星系仅通过剧烈合并演化的假设，暗示着一个更为平静但同样剧烈的过程，由宇宙网状气体流入和棒状结构诱导的动力学驱动。
一百多亿年前，早期宇宙生机勃勃。巨大的“怪兽星系”以惊人的速度形成恒星——几乎是我们银河系的300倍。如今，只有少数星系呈现出这种极端的恒星形成速度，而且几乎所有星系都在与其他星系碰撞或合并。这使得科学家们相信，这些古老的星暴也是由剧烈碰撞引发的，碰撞导致气体涌入星系中心，最终在燃料耗尽后，将星系变成巨大、毫无特征的椭圆巨星。
这些巨型星系极其遥远，被恒星形成过程中产生的厚厚尘埃云所包裹。这些尘埃阻挡了可见光，使得传统望远镜几乎无法观测到它们。多年来，它们的结构——以及它们爆发性恒星形成的能量来源——一直是个谜。但得益于詹姆斯·韦伯太空望远镜的红外成像能力，天文学家如今得以透过尘埃，发现了一些意想不到的东西。
许多星系看起来根本不像混乱的合并遗迹。相反，它们拥有结构良好的盘状结构，就像平静的螺旋星系。那么，为什么这些看似平静的星系会以如此疯狂的速度产生恒星呢？
左图：詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的近红外图像。底部的两个星系是前景天体。右图：ALMA观测到的分子气体分布。气体聚集在旋转棒状结构的前侧，并向中心下落。图片来源：NASA、ALMA（ESO/NAOJ/NRAO）、Huang等人。
令人惊奇的发现：J0107a
天文学家黄硕领导的团队取得了一项激动人心的突破，他们研究了一个名为J0107a的星系，该星系距离我们111亿光年。这颗巨大的星系于2014年首次被发现，当时研究人员正在观测另一个星系。2023年，韦伯太空望远镜拍摄的详细近红外图像发布后，揭示了一些令人震惊的现象。J0107a的质量是银河系的十倍以上，恒星形成速度大约是银河系的300倍。更令人惊奇的是，它拥有近乎完美的棒旋星系形状，就像银河系等现代星系一样。事实上，它是迄今为止在宇宙早期观测到的最清晰的棒旋星系结构之一。
理解如此平静的星系如何能够孕育如此极端的恒星形成过程依然充满挑战。需要对气体动力学进行光谱测量才能深入探究，但即使对于韦伯太空望远镜来说，观测这样一个被尘埃笼罩的星系的内部运动仍然极其困难。
条形结构推动强烈的恒星形成
研究小组随后利用ALMA观测一氧化碳和中性碳原子的发射线，发现J0107a的棒状结构形状以及相关气体的分布和运动与现代棒旋星系（如银河系）非常相似。
另一方面，研究小组还发现，现代星系棒状结构中气体的比例不到总质量的10%，而J0107a的比例却非常高，约为50%。数据显示，J0107a的棒状结构由质量远大于现代星系的恒星和气体组成，它搅动了星系盘，在星系中心周围2万光年半径范围内形成了速度高达每秒数百公里的气流，这相当于从银河系中心到太阳系的距离。
部分气体落入星系中心，导致恒星大量形成。此前，没有任何星系形成理论研究能够预测到具有此类棒状结构的巨型星系的存在。
挑战经典星系形成理论
这是首次成功直接观测到早期宇宙中由棒状结构气体流入引起的恒星形成爆发。传统的巨型星系形成和演化理论认为，强烈的恒星形成是由于星系碰撞和合并，或其盘面的引力不稳定性，随后在数亿年的时间里将它们变成椭圆星系。
同时，据推测，J0107a 在宇宙早期（大爆炸后仅 26 亿年）的数亿年间，形成了类似现代棒旋星系的形状，同时保留了怪物星系的极端物理特性。通过此次观测获得的有关气体分布和运动学的详细数据，不仅将为怪物星系的起源提供重要线索，还将为研究其他星系中棒状结构的形成和演化提供重要线索，因为我们正在见证宇宙早期棒状结构的形成过程。
宇宙网促进银河系增长
研究团队负责人黄硕表示：“巨型星系生长所需的大量气体是由星系合并或来自宇宙网的气体流入提供的。虽然目前还没有星系合并的迹象，但在J0107a周围探测到了一个巨大的气体盘。”
这个气体盘的直径约为12万光年，是星系可见恒星主体直径的两倍，其运动大致与星系本身的运动一致。基于此，我们假设它是由大量从宇宙网中螺旋状向星系移动的气体形成的（见下文注释）。
这是一张巨型星系的新照片，其中的盘状星系由宇宙尺度的气体流动形成，随后在星系演化过程中出现了棒状结构，进而引发了星系尺度的快速气体流动和恒星形成的爆发。我们将继续与ALMA合作进行观测研究，以进一步探究这一现象。
编译自/ScitechDaily