天文學家揭示「怪物」恆星形成星系的新細節

來自日本、墨西哥和馬薩諸塞大學阿姆赫斯特分校的天文學家組成的國際天文學家小組於2018年8月29日報告說：他們的儀器解析度比以往任何時候都要高10倍，揭示了以前完全未知的星繫結構細節。還能夠分析以前無法研究的動態特性。研究人員說，所謂的「怪物星系」或極端的星爆星系被認為是像今天宇宙中的銀河系這樣的大星系的祖先，所以這些關於被稱為cosmos - aztec1的星系的發現為理解它們的形成和進化鋪平了道路。

巨型星系cosmos-aztec1的印象概念圖，這個星系距離地球124億光年，形成恆星的速度是銀河系的1000倍。阿爾瑪的觀測結果顯示，在盤狀星雲中有稠密的氣體濃度，在這些濃度中有密集的恆星形成。圖片：National Astronomical Observatory of Japan

博科園-科學科普：研究報告的撰寫者之一、UMass Amherst天文學教授Min Yun補充說：令人驚訝的是這個在130億年前被觀測到的星系擁有一個巨大有序的氣體圓盤，它的自轉規律與我們的預期完全不同，它可能是某種混亂的殘骸，這是大多數理論研究所預測的。也就是說，他們確實觀察到這個氣體盤現在是動態不穩定的，這意味著組成這個星系的整個氣體盤正在分裂，正在經歷一場巨大的恆星爆發，這有助於解釋它巨大的恆星形成速率，是銀河系的1000倍以上。

這些關於cosmos - aztec1號的最新觀測發現是由阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列(ALMA)實現的，該望遠鏡和設施由智利的一個國際合作組織運營。本星期這篇論文的第一作者，日本科學促進會和日本國家天文台的博士後研究員說：ALMA觀測的最佳部分之一就是以前所未有的解析度看到如此遙遠的星系。天文學家一直想知道為什麼巨型星系能以如此驚人的速度形成恆星。為了開始理解，需要描述恆星託兒所周圍的環境，繪製分子雲詳細地圖是重要的一步。

ALMA揭示了分子氣體(左)和塵埃顆粒(右)的分布，除了中心密集的雲，研究小組還發現了離中心幾千光年遠的兩團密集的雲，這些密集的雲是動態不穩定的，被認為是密集恆星形成的地點。圖片：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Tadaki et al.

Tadaki和他的團隊發現cosmos - aztec1 -1富含恆星的成分，但要弄清星系中宇宙氣體的性質仍然很困難。利用ALMA的高解析度和高靈敏度觀測星系，獲得了氣體分布和運動的詳細地圖，從而製作出了迄今為止解析度最高的遙遠巨怪星系分子氣體地圖。Tadaki解釋說:「我們發現在離中心幾千光年遠的地方有兩個明顯的大雲層。」在大多數遙遠的星爆星系中，恆星都是在中心形成的。

所以發現偏離中心的雲是令人驚訝的。這些星系最初是如何聚集了如此大量的氣體，然後在眨眼之間就把整個氣體儲備變成了恆星的，這在宇宙學上是一個完全未知的問題，只能推測，現在有了第一個答案。在ALMA得出這個結果之前，沒有人知道自然界是如何在大爆炸後10億年創造出巨大的年輕星系。10年前第一次使用阿茲特克儀器發現它們是一個真正的發現，但它無法解釋。根據新的觀測結果，研究小組成員現在認為，這個巨大的星系是由「一個極重氣體的圓盤」驅動的，這個圓盤以某種方式保持穩定，直到有足夠的氣體聚集。

我們仍然不知道如此多的氣體是如何如此迅速地被收集起來的，以及是什麼阻止了這個巨大的氣體儲備燃燒並變成恆星，而在當地的宇宙中，氣體的作用是眾所周知的。天文學家發現cosmos - aztec1中的氣體雲非常不穩定，這是不尋常的。他們指出，在正常情況下，向內重力和向外壓力是平衡的。一旦重力克服了壓力，氣體雲就會迅速坍縮，形成恆星。然後恆星和超新星在恆星生命周期結束時爆炸，釋放出氣體，增加了向外的壓力。因此重力和壓力達到平衡狀態，恆星的形成繼續以中等速度進行。這樣星系中恆星的形成是自我調節的。

但是在cosmos - aztec1中，壓力遠遠小於重力，難以平衡。因此，這個星系顯示出失控的恆星形成，並演變成一個不可阻擋的怪物星系。Tadaki, Yun和他的同事估計在1億年後，cosmos - aztec1中的氣體將被完全消耗掉，這比其他恆星形成星系的速度快10倍。為什麼cosmos - aztec1中的氣體如此不穩定尚不清楚，但一種被稱為「星系合併」的現象可能是原因之一。星系碰撞可能有效地將氣體輸送到一個小區域，並點燃了密集的恆星形成。目前還沒有證據表明這個星系合併了。但通過與ALMA觀測其他類似星系，揭示星系合併和怪物星系之間的關係。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻 :《Nature》｜研究/來自：馬薩諸塞大學阿默斯特分校，DOI: 10.1038/s41586-018-0443-1

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