早期宇宙中一個巨大的棒旋星系令天文學(xué)家們感到震驚，它以銀河系300 倍的速度形成恒星，而且沒有星系碰撞的跡象。研究人員利用韋伯太空望遠(yuǎn)鏡和阿爾瑪（ALMA）望遠(yuǎn)鏡陣列，發(fā)現(xiàn)其富含氣體、形狀與現(xiàn)代螺旋星系相似的棒狀結(jié)構(gòu)很可能引發(fā)強(qiáng)烈的中心星暴。

左圖：詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的鄰近星系VV114及其背景巨型棒旋星系J0107a（z=2.433）的近紅外圖像。圖片來源：NASA。右圖：J0107a的恒星和分子氣體分布。圖片來源：NASA、ALMA（ESO/NAOJ/NRAO）、Huang等人。

這推翻了此前認(rèn)為巨型星系僅通過劇烈合并演化的假設(shè)，暗示著一個更為平靜但同樣劇烈的過程，由宇宙網(wǎng)狀氣體流入和棒狀結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的動力學(xué)驅(qū)動。

一百多億年前，早期宇宙生機(jī)勃勃。巨大的“怪獸星系”以驚人的速度形成恒星——幾乎是我們銀河系的300倍。如今，只有少數(shù)星系呈現(xiàn)出這種極端的恒星形成速度，而且?guī)缀跛行窍刀荚谂c其他星系碰撞或合并。這使得科學(xué)家們相信，這些古老的星暴也是由劇烈碰撞引發(fā)的，碰撞導(dǎo)致氣體涌入星系中心，最終在燃料耗盡后，將星系變成巨大、毫無特征的橢圓巨星。

這些巨型星系極其遙遠(yuǎn)，被恒星形成過程中產(chǎn)生的厚厚塵埃云所包裹。這些塵埃阻擋了可見光，使得傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡幾乎無法觀測到它們。多年來，它們的結(jié)構(gòu)——以及它們爆發(fā)性恒星形成的能量來源——一直是個謎。但得益于詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的紅外成像能力，天文學(xué)家如今得以透過塵埃，發(fā)現(xiàn)了一些意想不到的東西。

許多星系看起來根本不像混亂的合并遺跡。相反，它們擁有結(jié)構(gòu)良好的盤狀結(jié)構(gòu)，就像平靜的螺旋星系。那么，為什么這些看似平靜的星系會以如此瘋狂的速度產(chǎn)生恒星呢？

左圖：詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的近紅外圖像。底部的兩個星系是前景天體。右圖：ALMA觀測到的分子氣體分布。氣體聚集在旋轉(zhuǎn)棒狀結(jié)構(gòu)的前側(cè)，并向中心下落。圖片來源：NASA、ALMA（ESO/NAOJ/NRAO）、Huang等人。

令人驚奇的發(fā)現(xiàn)：J0107a

天文學(xué)家黃碩領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊取得了一項激動人心的突破，他們研究了一個名為J0107a的星系，該星系距離我們111億光年。這顆巨大的星系于2014年首次被發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時研究人員正在觀測另一個星系。2023年，韋伯太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的詳細(xì)近紅外圖像發(fā)布后，揭示了一些令人震驚的現(xiàn)象。J0107a的質(zhì)量是銀河系的十倍以上，恒星形成速度大約是銀河系的300倍。更令人驚奇的是，它擁有近乎完美的棒旋星系形狀，就像銀河系等現(xiàn)代星系一樣。事實(shí)上，它是迄今為止在宇宙早期觀測到的最清晰的棒旋星系結(jié)構(gòu)之一。

理解如此平靜的星系如何能夠孕育如此極端的恒星形成過程依然充滿挑戰(zhàn)。需要對氣體動力學(xué)進(jìn)行光譜測量才能深入探究，但即使對于韋伯太空望遠(yuǎn)鏡來說，觀測這樣一個被塵埃籠罩的星系的內(nèi)部運(yùn)動仍然極其困難。

條形結(jié)構(gòu)推動強(qiáng)烈的恒星形成

研究小組隨后利用ALMA觀測一氧化碳和中性碳原子的發(fā)射線，發(fā)現(xiàn)J0107a的棒狀結(jié)構(gòu)形狀以及相關(guān)氣體的分布和運(yùn)動與現(xiàn)代棒旋星系（如銀河系）非常相似。

另一方面，研究小組還發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代星系棒狀結(jié)構(gòu)中氣體的比例不到總質(zhì)量的10%，而J0107a的比例卻非常高，約為50%。數(shù)據(jù)顯示，J0107a的棒狀結(jié)構(gòu)由質(zhì)量遠(yuǎn)大于現(xiàn)代星系的恒星和氣體組成，它攪動了星系盤，在星系中心周圍2萬光年半徑范圍內(nèi)形成了速度高達(dá)每秒數(shù)百公里的氣流，這相當(dāng)于從銀河系中心到太陽系的距離。

部分氣體落入星系中心，導(dǎo)致恒星大量形成。此前，沒有任何星系形成理論研究能夠預(yù)測到具有此類棒狀結(jié)構(gòu)的巨型星系的存在。

挑戰(zhàn)經(jīng)典星系形成理論

這是首次成功直接觀測到早期宇宙中由棒狀結(jié)構(gòu)氣體流入引起的恒星形成爆發(fā)。傳統(tǒng)的巨型星系形成和演化理論認(rèn)為，強(qiáng)烈的恒星形成是由于星系碰撞和合并，或其盤面的引力不穩(wěn)定性，隨后在數(shù)億年的時間里將它們變成橢圓星系。

同時，據(jù)推測，J0107a 在宇宙早期（大爆炸后僅 26 億年）的數(shù)億年間，形成了類似現(xiàn)代棒旋星系的形狀，同時保留了怪物星系的極端物理特性。通過此次觀測獲得的有關(guān)氣體分布和運(yùn)動學(xué)的詳細(xì)數(shù)據(jù)，不僅將為怪物星系的起源提供重要線索，還將為研究其他星系中棒狀結(jié)構(gòu)的形成和演化提供重要線索，因為我們正在見證宇宙早期棒狀結(jié)構(gòu)的形成過程。

宇宙網(wǎng)促進(jìn)銀河系增長

研究團(tuán)隊負(fù)責(zé)人黃碩表示：“巨型星系生長所需的大量氣體是由星系合并或來自宇宙網(wǎng)的氣體流入提供的。雖然目前還沒有星系合并的跡象，但在J0107a周圍探測到了一個巨大的氣體盤?！?/p>

這個氣體盤的直徑約為12萬光年，是星系可見恒星主體直徑的兩倍，其運(yùn)動大致與星系本身的運(yùn)動一致?；诖?，我們假設(shè)它是由大量從宇宙網(wǎng)中螺旋狀向星系移動的氣體形成的（見下文注釋）。

這是一張巨型星系的新照片，其中的盤狀星系由宇宙尺度的氣體流動形成，隨后在星系演化過程中出現(xiàn)了棒狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而引發(fā)了星系尺度的快速氣體流動和恒星形成的爆發(fā)。我們將繼續(xù)與ALMA合作進(jìn)行觀測研究，以進(jìn)一步探究這一現(xiàn)象。

編譯自/ScitechDaily