嬰兒宇宙中出乎意料的成熟星系表明星系的形成速度比我們想象的要快

“這個星系看起來像一個‘成年人’，但它本應(yīng)只是一個‘小孩子’。”

在宇宙只有12億年時觀測到的ALESS 073.1星系中的氣體和塵埃（分別以藍(lán)色和紅色顯示）。（圖片來源：費德里科·萊利Federico Lelli）

新生宇宙中的遙遠(yuǎn)星系本應(yīng)看似一個“小孩子”，但它本質(zhì)上與成年星系很相似，新的發(fā)現(xiàn)表明星系的演化可能比以前想象的要快得多。

星系有各種形狀、顏色和大小。關(guān)于星系是如何在早期宇宙中形成的以及它們是如何演化出成熟的特征（如旋轉(zhuǎn)的圓盤和密集恒星的中心隆起）仍然存在謎團。要追溯到那么遙遠(yuǎn)的時間，天文學(xué)家需要觀察遙遠(yuǎn)星系發(fā)出的光，但這些目標(biāo)往往太暗，看不清楚。

在這項新的研究中，研究人員聚焦于星系A(chǔ)LESS 073.1。他們從這個星系探測到的星光來自125億年前，當(dāng)時“宇宙12億歲，大約是目前年齡的10%”，該研究的主要作者——威爾士卡迪夫大學(xué)的天體物理學(xué)家費德里科·萊利（Federico Lelli）告訴Space.com。

使用智利的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣（ALMA），科學(xué)家們分析了他們成功收集到的ALESS 073.1塵埃和氣體的高質(zhì)量圖像。他們利用這些數(shù)據(jù)來模擬物質(zhì)在星系中的聚集方式并計算其運動。

出乎意料的是，研究人員發(fā)現(xiàn)該星系既有一個旋轉(zhuǎn)的圓盤，又有一個中央隆起。他們還發(fā)現(xiàn)了一些跡象，表明它甚至可能擁有與成熟星系（如銀河系）相同的旋臂——從星系核心延伸出的旋臂。

“這個星系看起來像一個‘成年人’，但它本應(yīng)只是一個‘小孩子’?！?費德里科·萊利（Federico Lelli）說道。

ALESS 073.1的核心也產(chǎn)生了比僅靠恒星的存在所能解釋的更多能量。先前的研究表明，這樣一個“活躍星系核”（AGN）暗示著一個超大質(zhì)量黑洞的存在，其

質(zhì)量是太陽質(zhì)量的數(shù)百萬到數(shù)十億倍。

此前，研究人員認(rèn)為由于星系內(nèi)的引力不穩(wěn)定性或星系間的合并，中心隆起會隨著時間慢慢形成。 “相反，ALESS 073.1在不到12億年的時間里形成了一個巨大的隆起，這個隆起大約占其恒星的一半，” 萊利說，“這個年輕的星系看起來異常成熟?！?/p>

該圖譜顯示了ALESS 073.1星系中氣體的運動。顯示為藍(lán)色的氣體正在向著我們移動，而顯示為紅色的氣體正遠(yuǎn)離我們，這表明該星系正在旋轉(zhuǎn)。（圖片來源：費德里科·萊利Federico Lelli）

早期的研究還表明，由于在原始宇宙中星系正在經(jīng)歷的所有活動，例如吞噬周圍的氣體和以非常高的速率形成恒星，使得星系的形成通常被認(rèn)為是混亂的、洶涌的，并且多半是結(jié)構(gòu)凌亂的。萊利說，在ALESS 073.1中檢測到的有序結(jié)構(gòu)“與這些預(yù)期不符”。

這些新發(fā)現(xiàn)表明，星系可以比以前人們想象的更快、更有效地形成成熟的特征，如圓盤和隆起。萊利說：“像隆起、規(guī)則旋轉(zhuǎn)圓盤，很可能還有旋臂的結(jié)構(gòu)必須在不到10億年的時間內(nèi)形成，這對于目前的星系形成模型來說是一個難以辦到的事情?！?。

萊利說，未來，科學(xué)家們的目標(biāo)是收集來自同一宇宙時期的十幾個左右更多的星系的類似高質(zhì)量圖像。

“這些新的觀測將確定像ALESS 073.1這樣的星系是原始宇宙中的常規(guī)還是例外，” 萊利說，“原本應(yīng)該在去年進(jìn)行這些觀測的，但很不幸地，阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣（ALMA）因新冠肺炎緊急情況而關(guān)閉了?！?/p>

相關(guān)知識

阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列位于智利北部阿塔卡馬沙漠，是由射電望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成的天文干涉儀。因為具備“高海拔”和“空氣干燥”兩絕佳條件，這對毫米和次毫米波長的觀測至關(guān)重要，陣列最終選擇設(shè)在5,000米的查南托高原上，附近還有拉諾德查南托天文臺 和阿塔卡馬探路者實驗。

BY: Charles Q. Choi

FY: Tessa

如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請在作品發(fā)布后聯(lián)系作者刪除

轉(zhuǎn)載還請取得授權(quán)，并注意保持完整性和注明出處