中国科学院紫金山天文台联合法国替代能源与原子能委员会巴黎-萨克雷大学中心（CEA Paris-Saclay）、日本东京大学科维理宇宙物理学与数学研究所（Kavil IPMU/ UTokyo）等基于大样本亚毫米波观测数据的合作研究，首次发现遥远早期宇宙星暴星系中心通过强烈的恒星形成活动直接形成原位核球的确凿证据，开启了对宇宙星系形成过程的全新理解。该研究成果以“In situ spheroid formation in distant submillimetre-bright galaxies”为题于12月5日在线发表于《自然》。
当前宇宙中的星系依形态大致分为两类：有明显旋臂结构的盘状旋涡星系和整体呈近圆形或椭圆形且中心亮、边缘渐暗的椭圆星系。研究显示，无论形态如何，大多数星系的中心都有一个恒星密集区域——核球，核球与盘的比例决定了星系的整体形态。星系核球结构与椭圆星系有很多相似之处，除了形态还包括它们的形成机制之谜：是通过星系的并合形成？还是星系自身演化原位形成？之前的相关理论研究普遍倾向于前者，但从观测上验证这些理论仍是一大挑战。
研究人员通过主要基于阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波干涉阵（ALMA）档案数据自动挖掘项目（A3COSMOS和A3GOODSS）获得的高空间分辨率、高灵敏度数据，系统精确地测量了一批亚毫米波辐射非常明亮的早期宇宙大质量星暴星系的尘埃连续谱辐射分布特征。这些星系的红移可以追溯到“宇宙正午”时代，即距今约80至120亿年前，当时大多正在经历大规模的恒星形成活动。
研究团队通过统计分析发现，大多数样本星系的亚毫米波辐射非常紧凑，其面亮度轮廓明显偏离盘状星系光强度的典型指数盘模型分布，表明这些星系的核心区域很可能已经形成了类似核球的结构。对星系几何形状的详细分析则给出更确凿的证据。基于三轴模型的样本星系轴比分布研究发现，其中大多数星系几何形状呈三轴椭球形，而不是传统认为的扁平盘状结构。具体而言，这些星系最短轴和最长轴之比约为1/2，而且有随星系内部恒星形成活跃程度的增加而变大的趋势。这些研究结果表明，早期宇宙星暴星系中极端活跃的恒星形成活动可能导致星系中心区域恒星质量的快速积累，进而促进原位核球结构的形成。进一步采用先进的宇宙流体动力学模拟的结果显示，早期宇宙中普遍存在的冷气体吸积流入和星系相互作用（而非星系并合）所触发的剧烈恒星形成活动很可能是导致这些星系原位核球结构形成的主要原因，而这一时期也被认为是大多数星系核球结构形成的关键时期。
本项研究通过亚毫米波段的独特视角，结合创新的分析技术，为探究早期宇宙星暴星系核球结构的形成及演化提供了至关重要的观测证据，同时为当前宇宙中巨型椭圆星系的形成机制研究带来新启示，有望重新定义星系形成机制，对星系形成和演化理论的研究产生深远影响。未来，随着更为先进的亚毫米波和毫米波干涉阵设备和新一代空间望远镜（如中国巡天空间望远镜）的应用，有望获得早期宇宙星系形成的更完整图景，进一步深化我们对整个宇宙演化的理解。
论文第一作者兼通讯作者为紫金山天文台谈清华副研究员，紫金山天文台为第一完成单位，法国替代能源与原子能委员会巴黎-萨克雷大学中心研究员Emanuele Daddi是共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金和国家留学基金委公派访问学者项目的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08201-6
早期宇宙星暴星系中原位核球形成过程及其与当前宇宙椭圆星系间可能演化关系的示意图。左侧是三个样本星系的詹姆斯•韦布空间望远镜（JWST）观测的三色合成图像（蓝、绿、红色分别对应1.15微米、2.77微米和4.44微米观测数据）和ALMA观测的中心区域亚毫米波辐射分布图像。图中还展示了星系三维平均形状参数的分类（坐标表示星系两个短轴B和C与长轴A之比）：早期宇宙星暴星系全部样本（绿色椭圆）、亚毫米波辐射分布紧凑子样本（橙色椭圆）和延展子样本（蓝色椭圆），对比近邻宇宙椭圆星系（红色椭圆）和旋涡星系（紫色和青色螺旋）。（图/Qing-Hua Tan）