意大利天文学家发现30亿光年外“化石星系”：70亿年来保持不变

据美媒7月8日报道，天文学家观测到了一颗70亿年来始终未发生变化的星系，这在宇宙中极为罕见，为人们窥探宇宙历史提供了线索，也丰富了被称为遗迹或“化石星系”的神秘天体集合。

这些太空奇观在经历了初始阶段的剧烈恒星形成后，便偏离了预期的演化轨迹。当其他星系不断扩张并相互融合时，化石星系却几乎处于休眠状态。它们如同天体时间胶囊，展现了远古宇宙的面貌，让天文学家得以探究星系形成的机制。

新发现的化石星系被命名为KiDS J0842+0059，距离地球约30亿光年，是迄今发现的最遥远且首个在地球所在局部宇宙（即距离地球最近、半径约10亿光年的空间区域）之外被观测到的此类星系。该星系由意大利国家天体物理研究所（INAF）领导的天文学家团队利用亚利桑那州的大型双筒望远镜的高分辨率成像技术发现。

“遗迹星系只是偶然没有与其他任何星系融合，从而在时间的长河中保持了相对完整的状态，”意大利国家天体物理研究所研究员、5月31日发表于《皇家天文学会月刊》上的相关研究论文的第一作者克雷申佐·托托拉）说，“这些天体极为罕见，因为随着时间的推移，星系与其他星系融合的概率自然会增加。”

结构紧凑，质量巨大

据英国牛津大学研究员、该研究论文合著者基亚拉·斯皮涅洛介绍，天文学家认为，质量最大的星系分两个阶段形成。她说，“首先，星系会经历一次早期的恒星形成爆发，这是一种非常迅速且剧烈的活动，最终，我们会得到一个非常紧凑、小巧的天体，也就是这种遗迹星系的前身。”

她补充道，第二个阶段则是一个漫长的过程，在此期间，邻近的星系开始相互作用、融合并吞噬彼此，导致它们的形状、大小和恒星种群发生巨大变化。“我们将遗迹定义为几乎完全跳过了第二阶段的天体，即它们至少75%的质量是在第一阶段形成的，”斯皮涅洛解释道。化石星系的显著特征是它们非常古老、紧凑且密集，远超我们所在的银河系。

她说，“它们包含着（数十亿）颗像太阳一样巨大的恒星，并且不再形成新的恒星，它们基本上什么也不做，是远古宇宙的化石记录，它们在宇宙非常非常年轻的时候就形成了。然后，出于我们目前尚不清楚的原因，它们没有与其他星系发生相互作用。它们没有与其他星系融合。它们在不受干扰的情况下演化，并保持了原有的状态。”

牛津大学天体物理学教授米歇尔·卡佩拉里表示，化石星系至关重要，因为它们与数十亿年前存在的大质量星系群体有着直接联系。“作为‘活化石’，它们避开了大多数其他大质量星系所经历的混乱融合和增长过程。研究它们使我们能够重建宇宙婴儿时期的条件，并理解恒星形成的初始爆发，”他说。

他补充道，这些星系为何如此突然地停止形成恒星是一个重大问题。“来自本地和（遥远）观测的证据表明，超大质量黑洞的反馈作用可能是罪魁祸首，这些黑洞能产生强大的风，将星系中的气体排出或加热，从而阻止进一步的恒星形成。然而，这仍是一个活跃的研究领域。”

未来不确定

科学家们最初是在2018年利用位于智利帕拉纳尔天文台的VLT巡天望远镜发现KiDS J0842+0059的。那次观测揭示了该星系由非常古老的恒星组成，但仅对其质量和大小进行了估算，因此需要更详细的观测来确认它是否为遗迹。此次用于确认的大型双筒望远镜能够拍摄出非常清晰的图像，因为它能够补偿大气湍流的影响，而大气湍流往往会使地面望远镜难以聚焦于遥远的天体。

新发现的化石星系加入了一个仅有少数其他星系组成的群体，这些星系都以相同的细节水平被观测到，其中最原始的被称为NGC 1277于2018年被哈勃太空望远镜确认。

NGC 1277和KiDS J0842+0059非常相似，但后者距离地球更远。据斯皮涅洛介绍，后者几乎完全符合化石星系的定义。她说，“这就是我们所说的极端遗迹，因为它几乎所有的恒星，或者说99.5%的恒星，都是在宇宙早期极其短暂的时间内形成的，而此后该星系就再也没有任何变化。”

斯皮涅洛补充道，与我们的银河系一样，这个化石星系也有恒星和行星，但它的密度要大得多。她说，“在极小的空间内会有更多的恒星，所以那里会非常拥挤，而且，由于附近可能存在干扰的伴星，要找到像我们这样的拥有多颗行星绕其运行的太阳系将会困难得多。”

由于光从KiDS J0842+0059星系传播到地球需要30亿年的时间，因此观察者看到的该星系是30亿年前的样子。斯皮涅洛推测，这个遗迹可能会永远保持原状，但科学家们无法确定，因为他们仍然不知道是什么阻止了它与其他星系的相互作用。“一定有什么因素阻止了它们融合，但不知道是什么因素，我们就无法真正预测未来会发生什么，”斯皮涅洛说。

“百万分之一”

据西班牙拉古纳大学和加那利天体物理研究所的河外天文学家塞巴斯蒂安·科梅隆介绍，识别化石星系并确认其性质非常困难，部分原因是与银河系等普通星系相比，它们相对罕见且体积较小。他说，确认遥远遗迹星系的存在证明了用于识别这些天体的搜索策略以及现代仪器的先进性。

“化石星系很神秘，”未参与该研究的科梅隆在一封电子邮件中补充道，“如今，少数星系作为首批大型星系的未受触动的遗迹，这一事实需要得到解释。”

天文学家无法确定遗迹星系的稀有程度，但斯皮涅洛估计，在宇宙所有星系中，遗迹星系可能“百万分之一都不到”。旨在发现和编目化石星系并促成KiDS J0842+0059发现的INSPIRE项目已经确定了其他几十个候选星系，这些候选星系正在接受进一步审查，斯皮涅洛说。

新仪器可能会使这一搜索更加有效。斯皮涅洛和托托拉都对欧几里得太空望远镜感到兴奋。欧几里得是欧洲航天局于2023年发射的望远镜，旨在探索暗物质和暗能量，同时也将有助于观测化石星系。

斯皮涅洛说，“欧几里得望远镜将带来变革性的影响，因为它不是一次只观测一个天体，而是其广域巡天配置将覆盖更广阔的区域。我们的想法是找到一片天空中的所有星系，然后筛选出所有超紧凑的星系。如果你这样做，那么你实际上就可以估算出（化石星系）的稀有程度。”

卡佩拉里在一封电子邮件中表示，在如此遥远的距离确认遗迹星系KiDS J0842+0059是一项非凡的成就，而这一领域的未来前景非常广阔。“借助詹姆斯·韦伯太空望远镜和欧几里得望远镜（几个月前刚刚发布了首批图像）等强大的新型望远镜，以及地面上的先进自适应光学技术，我们有望在更遥远的距离发现并研究更多此类遗迹。”