大爆炸后仅14亿年就现巨型星系？颠覆认知！

早期宇宙中存在巨大椭圆星系的现象二十年来一直困扰着天文学家。由马克斯·普朗克射电天文学研究所（MPIfR）的尼古劳斯·苏尔泽瑙尔（Nikolaus Sulzenauer）和阿克塞尔·魏斯（Axel Weiß）领导的国际团队利用阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）的数据，解答了关于星系形成的这个谜题。他们详细研究了其中一个最壮观的星系聚合体，并将结果发表在最新一期的《天体物理学杂志》上。

一个令人惊讶的观测结果二十年来一直困扰着天文学家：在大爆炸后仅仅几十亿年，就已经存在巨大且演化充分的星系。研究人员原本预期在宇宙历史的早期阶段，只能找到拥有年轻恒星和持续恒星形成的星系。然而，实际上存在许多椭圆星系，它们的恒星群年龄较大，并且几乎没有形成新恒星所需的冷气体。这些观测结果对宇宙结构形成模型提出了挑战。

由MPIfR天文学家领导的团队在理解这些系统方面迈出了一大步。“在宇宙中，较大的星系通过引力相互作用和较小结构单元的合并层级增长，一些巨大的椭圆星系必定完全不像我们之前想的那样形成。”

MPIfR和波恩大学的博士生苏尔策瑙尔作为第一作者解释说：“一个巨型椭圆星系用不着花140亿年慢慢攒质量，可能几亿年就嗖地冒出来了。它只要靠一个巨型原始结构坍塌合并就能形成，花的时间跟太阳绕银河系转一圈差不多。”

我们发现，那些密度极高的结构必须在宇宙年龄只有现在的一成时，就率先从宇宙膨胀中脱离开，然后迅速组装成整个原星系团。气体压缩就像点燃了宇宙烟花，被恒星诞生活动加热后，亮得刺眼。它就像一座远红外到毫米波段的灯塔，因此可以通过ALMA和阿塔卡马探路者实验（APEX）等天文台观测到。

观察一次蜕变

研究团队观测了SPT2349-56中心的冷气体和尘埃，这个原星系团位于南天凤凰座，在大爆炸后仅14亿年就出现了。SPT2349-56让我们难得一瞥第一批星系团——也就是巨型椭圆星系的老巢。“SPT2349-56保持着‘最猛恒星工厂’的纪录，”魏斯评论说，他也参与了当初用APEX发现SPT2349-56的活儿。

加拿大不列颠哥伦比亚大学的莱利·希尔补充说："在中心，我们发现四个紧密相互作用的星系每40分钟就能形成一颗恒星。"相比之下，目前银河系要花整整一年才能形成三到四颗恒星。

苏尔策瑙尔指出："重要的是，这个四重星系以每秒300公里的速度甩出巨大的潮汐臂，而且是一整条，延展范围比银河系大得多。它们在亚毫米波段发出强光，激波把电离碳原子激发了，亮度一下子提升了十倍。这种明亮的辐射让我们能精确测量气体在那个引力甩出的螺旋结构里怎么运动，就像一串珠子绕着原星系团核心转。"

"令我们惊讶的是，潮汐碎块连成一条链，链上还有20个正在碰撞的星系，都在坍缩结构的外围。这说明它们很可能有同一个来源。我们头一回亲眼看到了这种连锁合并过程是怎么开始的。这个核心里的40个富含气体的星系，大部分不到3亿年——就是眨个眼的功夫——就会被摧毁，最后变成一个巨大的椭圆星系。"

星系团是怎么形成的？

UBC的两名本科生邓肯·麦金泰尔和乔尔·土取利，也是团队成员，他们做了详细的数值模拟。这些模拟非常关键，能把这一原星系团坍缩的观测结果与之前对成熟星系团的研究联系起来。在不同宇宙时期发现的不同类型天体，它们之间这种惊人的匹配，可能不仅证明了在大质量星系形成过程中同时发生重大合并的重要性，还有助于解释重元素（如碳）是怎么在最早的星系团里被加热和输送的。

达尔豪斯大学的Scott Chapman评论道：“虽然我们的发现为椭圆星系如何快速形成提供了激动人心的新发现，但合并激波、超大质量黑洞增长导致的气体加热，以及它们对恒星形成的原料的影响之间的各种相互作用，仍然是个大谜团。现在说完全搞清楚了巨型椭圆星系的'幼年时期'可能还为时过早，但我们在将原星系团中的潮汐碎片与当今星系团中大质量星系的形成过程联系起来方面，已经迈出了一大步。”

更多信息： Nikolaus Sulzenauer等人，《明亮 [C II]158 μm 流结构是SPT2349-56在z=4.3处巨型星系形成的信标》，《天体物理学杂志》（2026）。DOI: 10.3847/1538-4357/ae2ff0。 iopscience.iop.org/article/10. … 847/1538-4357/ae2ff0

来源：马克斯·普朗克学会

这故事最早是在Phys.org上发的。