大質量星系成長的新發現

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巨大的氣體海洋供給大質量星系的成長

具有藝術形態的蜘蛛網星系MRC1138-262就在被研究的星系團的中心。這個星系團距離我們大約100億光年遠，誕生於大爆炸後大約31億年。因此星系團和星系比較年輕。其中儲藏大量的冷卻的氣體。通過這些氣體誕生恆星，或者是在中心形成一個巨星的星系。那些衛星星系呈現出白色或粉色，由冷卻的分子氣體組成的海洋是藍色的。

靠近星系團中心的巨大星系是如何長大的？在射電干涉儀的幫助下，天文學家們發現了一個原因：星系成長吞噬的養料取自星系團中的巨大氣體海洋。

目前最為廣泛接受的星系演化理論認為，宇宙中大型星系的誕生和成長是基於等級制度原則的。相鄰的較小星際物質首先互相融合變得較大，而後被更大的星系吸收合并。因此大質量星系的誕生既是相融，也是吞併。

星系團由數以百計的互有引力的星系集合而成。觀察顯示，宇宙中橢圓形星系佔據優勢。 相對星系間的空隙來說他們在星系團當中分布密度較高，因此環境的物理過程起到了決定性的作用：星系的演化會因此加速。星系團因而成為檢驗大質量星系誕生和演化理論的理想的實驗室。

中央星系MRC1138-262，因其外形又名蜘蛛網星系，在大爆炸後大約31億年開始發出光芒，它所在的星系團被命名為蜘蛛網星系團。這個星系團還處於剛誕生的時期：那裡既沒有橢圓星系，也沒有星系系統，暗物質，星系團中熾熱的氣體以及星際介質自由多樣。遵從維里定律（見表格）。這樣的星系團被稱為原始星系團。蜘蛛網星系是一個對於等級制度成長模型具有說服力的例子。

維里定律

在一個由互不相撞並且通過引力相連的個體組成的封閉的系統中，個體時間平均值（用表示）的勢能E(pot)和負數的時間平均值的動能E(kin)的兩倍相等。

= -2

在一個多體系統的平衡狀態下也寫作：

+2=0

整個星系也能被看作一個個體。

為什麼稱之為蜘蛛網星系？

星系就像蜘蛛。它佔據了大量的恆星、分子和離子氣體——這些就像它的網。它置身於星系團，也就是一群星系中——而這些就如同被捕食的蒼蠅。

蜘蛛網星系有一個活動的星系核（active galactic nucleus, AGN）。人們在星系中心發現一個質量極大的黑洞。它在射電波段特別的活躍，這樣的星系也被人們稱作射電星系。蜘蛛網星系位於星系團的中心，許多的衛星星系圍繞在它的周圍。通過同類相食——合并附近較小的星系，蜘蛛網星系會漸漸演化成一個橢圓星系。在這樣的演化下，星系內每年大約會誕生千倍大陽質量的恆星。相比較我們的銀河系每年誕生的恆星只有1-5倍太陽質量。

觀察發現這個星系和它的周圍具備整個電磁頻譜中最好的觀察條件，因此非常適合於早期宇宙中星系演化的研究。

新的觀察

在2011年11月到2015年2月這段時間中，我們和來自西班牙、發過、荷蘭、美國和澳大利亞的研究者們，共計花費100個小時，在無線電波段觀測蜘蛛網星系。我們的目標是證實星系中恆星誕生必需的燃料—氫分子—的存在，並且計算出其範圍。觀察的結果我們發表在了學術期刊《科學》上。

為了我們雄心壯志的研究課題，我們使用了兩台射電望遠鏡。它們分別是澳大利亞的緻密望遠鏡陣列（ATCA）和美國的甚大天線陣（VLA）。雖然這兩台望遠鏡都有射電干涉儀，但因其建造方式和設計而互補。ATCA的解析度能達到5角秒，由此觀測得出目標的星系團大約距離我們130000光年。VLA的解析度能高達0.7角秒。ATCA的優點在於能在大尺度上了解目標的結構，而像VLA，或是ALMA（阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列），這些擁有更高解析度的射電干涉儀對於局部的觀測來說更好。

哈勃空間望遠鏡拍攝下的照片。藍色的局域是由射電望遠鏡ATCA發現的星系中的氣體。射電噴流來自圖中紅色輪廓處。小圖部分展示了蜘蛛網星系中心聚集的氣體，這是由VLA觀測發現的（紫色輪廓處）。

我們用兩台射電干涉儀在一氧化碳光線下觀測星系團，在這個波段下更容易分辨氫分子。用ATCA我們發現了一個直徑約200000光年的氣體團。氣體分子幾乎遍布整個星系，在這個區域內還發現了一些較小的衛星星系。在VLA的輔助下我們只看到了大約三分之一的氣體集中在蜘蛛網星系的中心附近。對此，我們還使用了哈勃空間望遠鏡拍攝了影像並得到了出乎意料的發現：大量的恆星誕生所需的原料並沒有在附近的星系中被發現，相反而是在星系中。

這兩台射電干涉儀在解析度上能力互補，它們的配合使用為我們驚人的決定性的發現創造了可能：我們工作的主旨是證明，巨型星系有可能不是通過同類相食演化而來的。

至今為止我們認為，早期宇宙中的那些超級星系是通過融合小星系組成的，就像我們在附近的宇宙中觀察到的一樣。然而蜘蛛網星系卻在龐大的冷卻的氣體海洋中。這些氣體總共大約有1000億倍太陽質量。

我們知道氫分子相對於一氧化碳的含量，由此能計算出氫分子的質量。一氧化碳是恆星內部反應的副產物。但是我們仍然不知道這些冷卻氣體是如何聚集起來的，是如何存在在這樣一個原始星系團中的。在接下來的幾年裡，我們會繼續研究，找出它們的秘密。

文章來源 《Sterne und Weltraum》

作者：Helmut Dannerbauer

翻譯：系外行星地瓜君

校譯：王 坤

編排：邱煜欣

責任編輯：解仁江

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