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循环生态系统为新星的诞生提供“粮食”

科技日报记者 华凌。粮食

一方面,循环系统星随着恒星的生态形成和星系中央超大质量黑洞的积累,星系中的为新超新星爆发、活动星系核反馈活动等高能活动将星系中的诞生重要元素抛射到大规模的环境系统中,形成星系外流。提供另一方面,粮食在暗物质晕的循环系统星强引力作用下,星际空间的生态气体会不断回流到星系,即星系内流。为新因此,诞生在一系列相互作用下,提供星系、粮食气体及其暗物质晕共同形成星系生态系统。循环系统星

在美国夏威夷海拔4200多米的生态莫纳克亚山顶,凯克望远镜一直“看”着浩瀚深邃的星空,不断探索宇宙的奥秘。

不久前,中国天文学家研究了宇宙早期形成的大质量星系“猛犸1号”星云周围的气体动力学结构,通过凯克望远镜上的宇宙网成像器和全波段观测,从而模拟和勾勒出星系生态系统形成的图景。在最新一期的《科学》杂志上发表了相关发现。

美国特别将“宇宙生态系统”作为未来的热点问题,在其最新的天文十年规划中提出。其中一个重要问题是大质量星系形成进化的机制。

事实上,像银河系这样的大质量星系是如何形成和演变的,大质量天体是如何诞生的,科学界还没有做出很好的解释。这项最新研究能否促进对“星系生态系统”和星系进化机制的理解?《科技日报》记者采访了参与本研究的清华大学天文系团队核心成员。

气体的内流与循环内流和星系密切相关。 清华大学天文系供图。

星系生态系统的外流和内流。

宇宙的基本单位是星系,它由大量的恒星系和星际尘埃组成。例如,银河系是一个大星系,它包含恒星、气体、宇宙尘埃和暗物质,并受到重力的束缚。

“在一系列相互作用下,星系与星系周围的气体(星系周介质)及其暗物质晕共同形成所谓的星系生态系统。气体对星系的影响至关重要。论文第一作者、清华大学博士生张世武指出。

张世武解释说,在目前的星系演化理论框架下,星系处于巨大的暗物质晕之中。早期宇宙中星系的典型直径约为数万光年,而暗物质晕的典型直径约为数十万光年。因此,暗物质晕的体积比星系体积大三个数量级。天文学家发现,氢原子/离子、氦原子/离子是星系周介质,主要是在星系和暗物质晕之间。氢元素质量约占70%,氦元素质量约占20%。这些气体(介质)是星系进化和星系中恒星形成的原料,质量超过星系中恒星质量的总和。

张世武进一步解释说,目前的观测实验结果和理论模型认为,在进化过程中,星系与周围环境密不可分。一方面,随着恒星的形成和星系中央超大质量黑洞的积累,星系中的超新星爆发、活动星系核反馈活动等高能活动将星系中的重要元素抛射到大规模的环境系统中,形成星系外流。

另一方面,在暗物质晕的强引力作用下,星际空间的气体会不断回流到星系,进一步促进恒星形成或超大质量黑洞的生长,即星系内流。因此,在一系列相互作用下,星系、气体及其暗物质晕共同形成星系生态系统。有些生态系统只有单一的中央星系,有些生态系统有由中央星系和卫星系组成的星系群。

早期宇宙富含重元素。

天文学家普遍认为,大质量星系统中的内流效率极低,不可能有普遍强大的恒星形成活动。然而,对早期宇宙的观察发现,许多大质量星系统的中央星系都有强烈的恒星形成活动,传统理论很难解释这种观测现象。因此,为什么早期宇宙大质量星系统的恒星形成过程仍然是一个谜。

“直接成像这种大质量星系生态系统中的气体,可以帮助我们了解气体的运动过程,从而解决这个谜题。也就是说,在宇宙生态系统中,如果能直接观察到星系吸收气体和形成恒星的细节,就会极大地促进对整个生态系统结构形成的理解。但外流通常很容易观察到,而直接观察内流则很少见。清华大学副教授蔡郑指出,“这是因为星系周媒体的表面亮度很低,这需要使用最大的望远镜和最敏感的光谱仪来观察它。””。

为了直接成像星系的“粮食”(星系周介质),揭示早期宇宙的生态系统,蔡郑团队与国际团队合作,利用凯克望远镜上的宇宙网成像器,结合从X射线、可见光、红外到射电的全波段观测,对110亿光年和早期宇宙中的超大气体星云“猛犸象1”进行了深入研究。

“我们成功地探测到了星系周围气体的氢元素和各种重元素的辐射,并进一步估计了重元素的大空间分布。这意味着星系周围的气体在宇宙早期富含重元素。"蔡峥说。

由于数据丰富,研究小组与世界上数十名理论学家进行了深入的讨论,试图解释观察到的数据。起初,由于观测到的气体富含重元素,许多同行认为气体运动显示气体从内部喷射到外部。然而,结合国际上几种流行的星系外流模型,无法很好地拟合观测到的数据点。

当研究团队感到困惑时,清华大学副教授徐丹丹提出,旋转和角动气体吸积(内流)可以解释观测数据。

许丹丹说,被重元素丰富的气体通常被认为是从星系内喷出的。然而,从数值模拟中,科学家发现,高元素丰富的气体确实被外流带入大型星系周介质,但相当一部分气体在暗物质晕引力和环境角动量的共同影响下,如喷泉,以纤维网络的形式旋转回流星系统。

因此,研究团队通过循环内流模型很好地解释了许多观测问题:被重元素丰富的气体可以通过重元素(碳元素等)的复合辐射和禁止跳跃辐射有效冷却形成恒星。这种冷气流可以在一定程度上解释大质量星系恒星形成的谜团。

反馈气体“滋养”新星。

“这是一幅在宇宙尺度上上演的‘落红不是无情的,化作春泥更护花’。蔡峥说,这个过程以前只出现在宇宙学的数字模拟中,但并没有引起人们的注意。这是研究小组首次为星系如何与大规模环境进行物质交换提供了清晰的图景,表明“循环气流”是推动早期宇宙大质量星系形成的重要机制。

蔡正解释说,正是因为从星系中推出并返回星系的气体中含有大量的重元素,比轻元素更容易冷却,从而大大提高了星系中恒星的形成效率。星系中心的黑洞将被重元素丰富的气体推向暗物质,后者像土壤一样反馈给星系,“滋养”新的恒星。

星系生态系统、星系形成和演化机制可以通过这样的观测结果逐渐清晰。蔡正指出,从数值模拟和观察的角度来看,我们认为循环内流机制可能在早期宇宙的大质量星系生态系统中很常见。本次观测结果为星系生态系统理论提供了新的视角,可以促进循环内流过程的深入观测和理论工作。研究结果表明,星系的内外流可能不是独立的,循环内流可能是描述星系与环境物质交换的更准确的图像。

蔡峥表示,今后我们将对更多不同质量、不同环境的大质量星系进行成像,并详细探讨星系如何演变至今。这项研究也将促进人们对暗物质、暗能量等宇宙学问题的深入研究。

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