星系长得比想象快？到底是不是特例？星系形成模型会被颠覆吗？

婴儿宇宙中出乎意料的成熟星系表明星系的形成速度比我们想象的要快

“这个星系看起来像一个‘成年人’，但它本应只是一个‘小孩子’。”

在宇宙只有12亿年时观测到的ALESS 073.1星系中的气体和尘埃（分别以蓝色和红色显示）。（图片来源：费德里科·莱利Federico Lelli）

新生宇宙中的遥远星系本应看似一个“小孩子”，但它本质上与成年星系很相似，新的发现表明星系的演化可能比以前想象的要快得多。

星系有各种形状、颜色和大小。关于星系是如何在早期宇宙中形成的以及它们是如何演化出成熟的特征（如旋转的圆盘和密集恒星的中心隆起）仍然存在谜团。要追溯到那么遥远的时间，天文学家需要观察遥远星系发出的光，但这些目标往往太暗，看不清楚。

在这项新的研究中，研究人员聚焦于星系ALESS 073.1。他们从这个星系探测到的星光来自125亿年前，当时“宇宙12亿岁，大约是目前年龄的10%”，该研究的主要作者——威尔士卡迪夫大学的天体物理学家费德里科·莱利（Federico Lelli）告诉Space.com。

使用智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵（ALMA），科学家们分析了他们成功收集到的ALESS 073.1尘埃和气体的高质量图像。他们利用这些数据来模拟物质在星系中的聚集方式并计算其运动。

出乎意料的是，研究人员发现该星系既有一个旋转的圆盘，又有一个中央隆起。他们还发现了一些迹象，表明它甚至可能拥有与成熟星系（如银河系）相同的旋臂——从星系核心延伸出的旋臂。

“这个星系看起来像一个‘成年人’，但它本应只是一个‘小孩子’。” 费德里科·莱利（Federico Lelli）说道。

ALESS 073.1的核心也产生了比仅靠恒星的存在所能解释的更多能量。先前的研究表明，这样一个“活跃星系核”（AGN）暗示着一个超大质量黑洞的存在，其

质量是太阳质量的数百万到数十亿倍。

此前，研究人员认为由于星系内的引力不稳定性或星系间的合并，中心隆起会随着时间慢慢形成。 “相反，ALESS 073.1在不到12亿年的时间里形成了一个巨大的隆起，这个隆起大约占其恒星的一半，” 莱利说，“这个年轻的星系看起来异常成熟。”

该图谱显示了ALESS 073.1星系中气体的运动。显示为蓝色的气体正在向着我们移动，而显示为红色的气体正远离我们，这表明该星系正在旋转。（图片来源：费德里科·莱利Federico Lelli）

早期的研究还表明，由于在原始宇宙中星系正在经历的所有活动，例如吞噬周围的气体和以非常高的速率形成恒星，使得星系的形成通常被认为是混乱的、汹涌的，并且多半是结构凌乱的。莱利说，在ALESS 073.1中检测到的有序结构“与这些预期不符”。

这些新发现表明，星系可以比以前人们想象的更快、更有效地形成成熟的特征，如圆盘和隆起。莱利说：“像隆起、规则旋转圆盘，很可能还有旋臂的结构必须在不到10亿年的时间内形成，这对于目前的星系形成模型来说是一个难以办到的事情。”。

莱利说，未来，科学家们的目标是收集来自同一宇宙时期的十几个左右更多的星系的类似高质量图像。

“这些新的观测将确定像ALESS 073.1这样的星系是原始宇宙中的常规还是例外，” 莱利说，“原本应该在去年进行这些观测的，但很不幸地，阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵（ALMA）因新冠肺炎紧急情况而关闭了。”

相关知识

阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列位于智利北部阿塔卡马沙漠，是由射电望远镜构成的天文干涉仪。因为具备“高海拔”和“空气干燥”两绝佳条件，这对毫米和次毫米波长的观测至关重要，阵列最终选择设在5,000米的查南托高原上，附近还有拉诺德查南托天文台 和阿塔卡马探路者实验。

BY: Charles Q. Choi

FY: Tessa

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