星系大发现

蔻享学术 2023-02-17

The following article is from 原理 Author 不二北斗

星系是宇宙最壮丽的结构。在我们短暂的一生中，星系似乎是永恒不变的。但天文学家早已发现，在宇宙的138亿年历史中，星系自诞生后便一直在演化。

于近期在西雅图举行的美国天文学会第241次会议上，来自世界各地的天文学家公布了一系列与星系有关的新发现。

寻找最古老的星系

如果一个光源向我们移动，光会被压缩，变成更短的波长，即所谓的蓝移；但如果光源远离我们，产生的光就会被拉伸，变成更长的波长，即所谓的红移。在天文学中，一个星系的红移越高，光到达我们所需的时间就越长。这意味着，天文学家可以通过观测高红移星系，来构建宇宙的早期历史。

在一项新研究中，天文学家分析了韦布空间望远镜（JWST）捕捉到的红外光观测数据，寻找那些有着高红移的星系。他们发现了87个可能是宇宙中已知的最早的一批星系——它们出现在宇宙年龄仅为2~4亿年的时候。

天文学家从星系团SMACS 0723-73中挑选出他们感兴趣的星系，其中蓝色圈、绿色圈、红色圈分别对应高红移、超高红移和极高红移的星系。（图/NASA/ESA/CSA/STScl/Haojing Yan/Bangzheng Sun）

过去，大多数天文学家都认为红移大于11的星系应该非常少，而这项研究发现的星系的红移在11~20之间。发现如此大量存在于早期宇宙中的星系意味着，许多星系在宇宙中的形成时间比天文学家过去认为的还要早得多。而这个发现，可能只是冰山一角，因为研究人员使用的数据只集中在宇宙的一个非常小的区域。

罕见的青豆星系

2009年，“星系动物园”项目的志愿者在斯隆数字化巡天任务的数据中，发现了一类罕见的星系——青豆星系。它们非常紧凑，通常只有5000光年宽，大约是银河系大小的5%。

在斯隆数字化巡天（SDSS）任务的数据中，青豆星系是一些小小的圆点，显现出明显的绿色。之所以呈绿色，是因为它们的大部分光来自明亮的发光气体云，而不是直接来自恒星。天文学家在星系团SMACS 0723中，发现了三个微弱的、紧凑的、遥远的星系。这些星系表现出的特征与SDSS在近邻宇宙捕捉到的“青豆星系”非常相似。

JWST捕捉到的“青豆”星系。由于星系的光被宇宙膨胀拉伸，所以它们看起来是红色的。（图/NASA, ESA, CSA, and STScI）

这三个星系大约存在于131亿年前，当时宇宙的年龄只有现在的5%。它们会释放出大量紫外线，从而可以从原子中撕裂电子。因此，这一发现或许可以帮助解释宇宙史上的一个重要时期——再电离时期。

星系的多样性

一百多亿年前的星系，会是什么形状呢？过去的许多观测表明，早期宇宙中存在着大量高红移的盘星系。

但在最新观测中，天文学家分析了850个红移为3~9的星系，也就是存在于大约110亿到130亿年前的星系。他们发现许多处于这种高红移的星系也具有其他结构，比如椭球形以及其他不规则形状。这意味着早期宇宙中星系的结构比之前知道的还要更加多样化。

这张图片是由JWST的近红外相机（NIRCam）拍摄的690帧画面拼接而成的，它拍摄的是北斗七星的“柄”附近的一片天空。图片中包含几个具有不同形态的高红移星系。（图/NASA/STScI/CEERS/TACC/S. Finkelstein/M. Bagley/Z. Levay/J. Kartaltepe）

通过JWST拍摄的星系图像与哈勃空间望远镜拍摄的相应图像进行比较，研究人员发现JWST可以更清晰地显示微弱的高红移星系的特征。这些更详细的细节特征让研究人员根据形状的不同，对488个星系进行了重新分类。

塑造斯蒂芬五重星系

星系并非是宇宙中的孤岛。在漫长的宇宙历史中，它们会与其它的星系相遇、碰撞和并合。斯蒂芬五重星系正是这样一个正在“共舞”的星系群，它由星系NGC 7317、NGC 7318a、NGC 7318b、NGC 7319和NGC 732组成，距离地球约2.7亿光年。

在一项新研究中，天文学家从阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵（ALMA）和JWST收集的新数据中，观察了NGC 7318b以大约800km/s的相对速度猛烈侵入星系群时的情况。研究人员发现当这个入侵者撞入星系群时，产生了一个巨大的激波，进而形成了一个高度湍流或不稳定的冷却层。

图中显示的是研究人员详细观测的三个关键区域，利用这些观测结果，研究人员首次清晰地描绘了氢气是如何连续移动和形成的。（图/ALMA/JWST/ P. Appleton/B.Saxton）

此外，在受到这种剧烈撞击影响的区域，出现了意想不到的结构和分子氢的循环。这是非常重要的发现，因为分子氢是恒星形成的重要原材料。

隐藏在并合星系中心的秘密

天文学家发现，在几乎所有星系的中心都存在着一个超大质量黑洞。那么，当两个星系在并合时，星系中心会有什么惊喜的发现呢？

天文学家用ALMA深入观测距离地球5亿光年之远的新并合星系UCG4211中心，他们发现了它隐藏着一个巨大的秘密：在它的核心，存在两个超大质量黑洞，这两个黑洞相距只有750光年，正在同时贪婪地吞噬周围的物质。

并合星系UCG4211中心存在两个超大质量黑洞。（图/ALMA/M. Weiss）

这是目前观测到的相距最近的两个黑洞。更重要的是，由于星系并合在遥远宇宙中较常见，因此这种紧密成对的双黑洞可能非常普遍。如果情况确实如此，这可能对未来的引力波探测产生重大影响。

揭开星系的尘埃之心

NGC 7469的中心有一个超大质量黑洞和一个恒星形成区构成的环。几十年来，天文学家一直希望能了解这些星系的详细动力学，但它们的中心通常有大量尘埃，给观测带来了挑战。在新研究中，天文学家利用JWST的超灵敏中红外探测仪器对NGC 7469进行了迄今为止最详细的分析。

NGC 7469是一个赛弗特星系。（图/ESA/Webb/NASA & CSA/L. Armus/A. S. Evans/Vivian U）

从星系正面，研究人员以意想不到的分辨率观测到了来自超大质量黑洞的风吹向我们的方向，以及由非常接近中央的活动星系核的风引起的气体的“激波加热”。

当来自星系中心的黑洞的风推动周围的致密气体时，就会发生激波加热，从而产生一个激波波前，将能量释放到星际介质中。这种效应可能以两种相反的方式影响恒星的形成：一种是通过将气体压缩成分子形式，促进新恒星的诞生；另一种是来自星系风的过于强烈的反馈过程，会破坏恒星的摇篮，从而阻止新恒星的诞生。

现在，关于活跃的星系核是如何驱逐气体的，以及这是如何影响周围的物质，天文学家有了一个更连贯的画面。

探索早期宇宙的原始化石

在距离地球大约1140万光年之外的地方，天文学家发现了三个超暗矮星系（UFD）。据估计，这些星系大约已有120亿年的历史，它们所含有的几乎所有恒星都是在宇宙早期形成的。

三个新发现的超暗矮星系围绕着一个质量与银河系相当的漩涡星系NGC 253运行。（图/NASA, HST-GO-15938, PI: MUTLU-PAKDIL）

UFD是已知的亮度最低、化学演化程度最低的星系。它们是由被认为构成了宇宙的大部分质量的暗物质所主导的。正因如此，天文学家认为UFD是早期宇宙的原始化石，可以为研究宇宙的组成和第一批星系的形成提供最佳线索。

大多数已知的UFD都在本星系群内，不同的环境可能影响它们的形成和演化。新发现的这些星系是首批在本星系群外捕捉到的最暗淡星系。而有趣的事，这些UFD的特征与本星系群内的UFD一致。这样的结果可以帮助天文学家为UFD建立更准确的模型。

虽然目前我们仍然不知道本星系群内的UFD是典型的还是不寻常的。但这项工作是进一步了解本星系群之外的UFD的第一步，也是更有力地描绘UFD的基本信息的第一步。

三角星系的新故事

三角星系是仙女星系的伴星系，它的直径约61000光年，是我们所在本星系群中的第三大星系，仅次于仙女星系和银河系。一般来说，伴星系有许多不同的形状，可以通过与母星系的相互作用而形成。例如，银河系最大的伴星系是大麦哲伦云，它在大小和质量上都与三角星系相似。

几个世纪以来，天文学家一直在观测三角星系。在低分辨率图像中，它具有“絮状”结构，也就是许多小的旋臂从一个明确的中心向外辐射。现在，一个研究团队公布了哈勃空间望远镜的PHATTER巡天调查在一年多的时间里，在108个轨道上获得的三角星系不同部分的数百张高分辨率图像，揭示了一个未知的隐藏的特征。

三角星系。中间和右边的图像分别显示了古老恒星和年轻恒星的分布。（图/A. Smercina/M.J. Durbin/J. Dalcanton/B.F. Williams/University of Washington/NASA/ESA）

他们发现，三角星系有两种截然不同的结构，最年轻的恒星和最古老的恒星的组织方式非常不同。那些年轻的大质量恒星（年龄不到10亿年）的分布大致符合“絮状”模式；但是更老、更红的恒星则是以两个旋臂从星系中心的矩形条中辐射出来。这很令人惊讶，因为对于多数星系来说，恒星的分布大致是一致的，无论它们的年龄如何。

目前，研究人员上不知道为什么会出现如此不同的分布。PHATTER巡天调查正进行的分析将揭示这些类型的星系是如何形成的，以及如何与较大的邻居相互作用。

#创作团队：

撰文：不二北斗

排版：雯雯

#参考来源：

https://aas.org/meetings/aas241/press-kit#briefings

https://www.rit.edu/news/james-webb-space-telescope-study-reveals-wide-diversity-galaxies-early-universe

https://public.nrao.edu/news/alma-jwst-turbulence-shaping-stephans-quintet/

https://public.nrao.edu/news/black-holes-dining-galaxy-merger-alma/

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2023/nasa-s-webb-telescope-reveals-links-between-galaxies-near-and-far

https://showme.missouri.edu/2023/searching-for-the-earliest-galaxies-in-the-universe/

https://www.eurekalert.org/news-releases/976051