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中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)聯(lián)合法國(guó)替代能源與原子能委員會(huì)巴黎-薩克雷大學(xué)中心、日本東京大學(xué)科維理宇宙物理學(xué)與數(shù)學(xué)研究所等，基于大樣本亞毫米波觀測(cè)數(shù)據(jù)，首次確鑿發(fā)現(xiàn)了遙遠(yuǎn)早期宇宙星暴星系中心通過強(qiáng)烈的恒星形成活動(dòng)直接形成原位核球的證據(jù)。這一發(fā)現(xiàn)提出了關(guān)于宇宙星系形成過程的全新認(rèn)知。12月5日，相關(guān)研究成果以In situ spheroid formation in distant submillimetre-bright galaxies為題，在線發(fā)表在《自然》（Nature）上。

當(dāng)前，宇宙中的星系依形態(tài)大致分為有明顯旋臂結(jié)構(gòu)的盤狀旋渦星系以及整體呈近圓形或橢圓形且中心亮、邊緣漸暗的橢圓星系。研究發(fā)現(xiàn)，無論形態(tài)如何，多數(shù)星系中心均有一個(gè)恒星密集區(qū)域即核球，核球與盤的比例決定星系的整體形態(tài)。而核球結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制是天文學(xué)的謎團(tuán)。

該研究基于阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波干涉陣檔案數(shù)據(jù)自動(dòng)挖掘項(xiàng)目獲得的高空間分辨率、高靈敏度數(shù)據(jù)，精確測(cè)量了一批亞毫米波輻射非常明亮的早期宇宙大質(zhì)量星暴星系的塵埃連續(xù)譜輻射分布特征。這些星系的紅移可追溯至“宇宙正午”時(shí)代即距今約80至120億年前。當(dāng)時(shí)，許多星系正在經(jīng)歷大規(guī)模的恒星形成活動(dòng)。

統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)樣本星系的亞毫米波輻射非常緊湊，其面亮度輪廓明顯偏離盤狀星系光強(qiáng)度的典型指數(shù)盤模型分布，表明這些星系的核心區(qū)域可能已形成類似核球的結(jié)構(gòu)。星系幾何形狀的詳細(xì)分析給出了更確鑿的證據(jù)。基于三軸模型的樣本星系軸比分布研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)星系幾何形狀呈三軸橢球形，而不是傳統(tǒng)認(rèn)為的扁平盤狀結(jié)構(gòu)。具體而言，這些星系最短軸和最長(zhǎng)軸之比約為1/2，且有隨星系內(nèi)部恒星形成活躍程度的增加而變大的趨勢(shì)。這表明，早期宇宙星暴星系中極端活躍的恒星形成活動(dòng)可能導(dǎo)致星系中心區(qū)域恒星質(zhì)量的快速積累，從而促進(jìn)原位核球結(jié)構(gòu)形成。進(jìn)一步，宇宙流體動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果顯示，早期宇宙普遍存在的冷氣體吸積流入和星系相互作用所觸發(fā)的劇烈恒星形成活動(dòng)或是導(dǎo)致這些星系原位核球結(jié)構(gòu)形成的主要原因，而這一時(shí)期被認(rèn)為是大多數(shù)星系核球結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵時(shí)期。

這一研究從亞毫米波段的獨(dú)特視角，結(jié)合創(chuàng)新的分析技術(shù)，為探索早期宇宙星暴星系核球結(jié)構(gòu)的形成和演化提供了重要的觀測(cè)證據(jù)，為當(dāng)前宇宙中巨型橢圓星系的形成機(jī)制研究帶來了新啟示。該成果有望重新定義星系形成機(jī)制，對(duì)星系形成和演化理論的研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

未來，隨著更先進(jìn)的亞毫米波和毫米波干涉陣設(shè)備以及新一代空間望遠(yuǎn)鏡如中國(guó)巡天空間望遠(yuǎn)鏡的應(yīng)用，科學(xué)家有望獲得更完整的早期宇宙星系形成圖景，以深化對(duì)整個(gè)宇宙演化的理解。

研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家留學(xué)基金公派訪問學(xué)者項(xiàng)目的支持。

論文鏈接

早期宇宙星暴星系中原位核球形成過程及其與當(dāng)前宇宙橢圓星系間可能演化關(guān)系示意圖