中國科學院紫金山天文臺聯合法國替代能源與原子能委員會巴黎-薩克雷大學中心、日本東京大學科維理宇宙物理學與數學研究所等，基于大樣本亞毫米波觀測數據，首次確鑿發現了遙遠早期宇宙星暴星系中心通過強烈的恒星形成活動直接形成原位核球的證據。這一發現提出了關于宇宙星系形成過程的全新認知。12月5日，相關研究成果以In situ spheroid formation in distant submillimetre-bright galaxies為題，在線發表在《自然》（Nature）上。
當前，宇宙中的星系依形態大致分為有明顯旋臂結構的盤狀旋渦星系以及整體呈近圓形或橢圓形且中心亮、邊緣漸暗的橢圓星系。研究發現，無論形態如何，多數星系中心均有一個恒星密集區域即核球，核球與盤的比例決定星系的整體形態。而核球結構的形成機制是天文學的謎團。
該研究基于阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波干涉陣檔案數據自動挖掘項目獲得的高空間分辨率、高靈敏度數據，精確測量了一批亞毫米波輻射非常明亮的早期宇宙大質量星暴星系的塵埃連續譜輻射分布特征。這些星系的紅移可追溯至“宇宙正午”時代即距今約80至120億年前。當時，許多星系正在經歷大規模的恒星形成活動。
統計分析發現，大多數樣本星系的亞毫米波輻射非常緊湊，其面亮度輪廓明顯偏離盤狀星系光強度的典型指數盤模型分布，表明這些星系的核心區域可能已形成類似核球的結構。星系幾何形狀的詳細分析給出了更確鑿的證據。基于三軸模型的樣本星系軸比分布研究發現，多數星系幾何形狀呈三軸橢球形，而不是傳統認為的扁平盤狀結構。具體而言，這些星系最短軸和最長軸之比約為1/2，且有隨星系內部恒星形成活躍程度的增加而變大的趨勢。這表明，早期宇宙星暴星系中極端活躍的恒星形成活動可能導致星系中心區域恒星質量的快速積累，從而促進原位核球結構形成。進一步，宇宙流體動力學模擬結果顯示，早期宇宙普遍存在的冷氣體吸積流入和星系相互作用所觸發的劇烈恒星形成活動或是導致這些星系原位核球結構形成的主要原因，而這一時期被認為是大多數星系核球結構形成的關鍵時期。
這一研究從亞毫米波段的獨特視角，結合創新的分析技術，為探索早期宇宙星暴星系核球結構的形成和演化提供了重要的觀測證據，為當前宇宙中巨型橢圓星系的形成機制研究帶來了新啟示。該成果有望重新定義星系形成機制，對星系形成和演化理論的研究產生深遠影響。
未來，隨著更先進的亞毫米波和毫米波干涉陣設備以及新一代空間望遠鏡如中國巡天空間望遠鏡的應用，科學家有望獲得更完整的早期宇宙星系形成圖景，以深化對整個宇宙演化的理解。
研究工作得到國家自然科學基金和國家留學基金公派訪問學者項目的支持。
論文鏈接
早期宇宙星暴星系中原位核球形成過程及其與當前宇宙橢圓星系間可能演化關系示意圖
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