大尺度结构下的星系生态系统。作者根据宇宙学模拟、参考文献[1]配图、以及星系实测图等改编。
导读：
美国最新的天文学十年规划中，特别将“宇宙生态系统”（cosmic ecosystem），作为未来热点问题提出。其中的一个重要问题是，大质量星系形成演化的机制问题。
今天，来自清华大学的蔡峥、张世武、许丹丹与合作者，在《科学》杂志以长文形式（research article）报告了关于这一问题的发现。他们利用夏威夷莫纳克亚山峰的凯克望远镜列装的宇宙网成像器、结合全波段观测，研究了早期宇宙形成的大质量星系“猛犸象1号”星云周围的气体动力学结构，进而模拟出了该星系的生态系统形成的图景。
他们认为，
循环内流普遍存在于早期宇宙大质量系统中。循环内流机制加快了气体冷却、促进了宇宙早期大质量星系的恒星形成。
该观测对宇宙早期大质量星系如何进行气体吸积、如何与环境物质交换提供了首个三维成像。未来，结合更大样本观测，人们将对星系的形成与演化有更深入而全面的理解。
蔡峥
张世武 ｜ 撰文
韩越扬 陈晓雪 ｜编辑
1. 星系生态系统
《荀子——天论篇》中讲道：“列星随旋，日月递炤；万物各得其和以生，各得其养以成” 。意思是说，众天体相互跟随、进行着角动量不为零的旋转，就如同日月相互交替一般，万物在宇宙和谐的环境中滋养而生。
星系处于巨大的暗物质晕当中。暗物质晕中遍布气体，它们是星系内部恒星形成的“营养和原料”，质量超过了恒星质量总和，我们管这部分气体叫作“星系周气体”。现代宇宙学认为，气体、环境与星系形成密不可分，构成一个“生态系统”。美国最新的天文学十年规划中，特别将“宇宙生态系统”（cosmic ecosystem），作为未来的研究热点提出。
在宇宙生态系统中，如果可以直接观测到星系吸积气体、形成恒星的细节，将大大促进对整个生态系统的结构形成的理解。但一个挑战是，外流”往往很容易观测到，对“内流”的直接观测非常罕见（图1）。
图1: 星系“生态系统”在宇宙大尺度结构中的物理图像。
2. 大质量星系恒星形成之谜
事实上，人们还不清楚在宇宙早期的大质量星系中，恒星是如何形成的。
先前不少数值模拟和解析模型[2,3]告诉我们，星系形成的原料，只能是温度很低的冷气体，因为高密度的冷气体不会到处乱跑，能够聚在一起、进而形成分子，促进恒星形成。
然而，理论模拟显示，在大质量星系（如质量超过一万亿太阳质量）中，由于引力势能很大，星系外的气体被吸积时，将被下落时产生的激波加热到很高的温度（往往大于10万度）。而在宇宙早期，重元素丰度一般较低，只有氢、氦、锂等原初元素，冷却的方法很有限，很难形成所需的“冷”气体。
理论与现实之间的矛盾，表明我们还不能很好地解释早期宇宙，特别是大质量星系中，为何会有剧烈的恒星形成。
因此，观测气体的内流过程就变得十分重要，因为这一过程可能能够展示气体冷却、变成恒星“食粮”的原因。
图2: 位于夏威夷的凯克10米光学望远镜（左）和凯克望远镜上的成像光谱仪（右）。图片来源 Keck Observatory website https://keckobservatory.org/media/maunakea-summit/; ESO website https://www.eso.org/public/teles-instr/technology/ifu/
3. 利器——超大气体星云与成像光谱仪
星系周气体的面亮度很低。为了直接给星系“食粮”（星系周气体）直接成像，揭示早期宇宙的“生态系统”，人们需要利用目前最大的望远镜加上最灵敏的光谱仪。
位于夏威夷莫纳克亚山峰的凯克望远镜近年来新研发了一台先进而有特色的光谱仪——宇宙网成像仪（图2）。利用宇宙网成像器，结合从 X 射线、可见光、红外线到射电的全波段观测，笔者联合一个国际团队，对距今110 亿年前、早期宇宙中最亮的超大气体星云进行了深入研究，
这个气体星云是先前的工作中发现的，被命名为：
“猛犸象-1号”
（图3）。顾名思义，“猛犸象-1号”是早期宇宙的一个庞然大物，暗物质晕的质量有一万亿个太阳质量，发光的气体延展到了暗物质晕的外面。它的氢气延展到144万光年，氦气、碳元素、也都延展到了星系整个暗物质晕的边缘。
利用宇宙网成像器的深度光谱观测
，让人们第一次可以深入研究气体流动过程：星系周围的气体存在复杂的运动学结构，并且，元素丰度在暗物质晕内的分布被完整呈现出来。
笔者团队发现，
星系周围的气体，已经富含了重元素（达到了太阳重元素丰度）。
图3: “猛犸象1号”星云。图片来源:参考文献[4]。
4. 气体内流——隐藏在复杂动力学背后的简洁模型
由于数据比较丰富，团队与国际上几十名理论学家进行了深入讨论，尝试解释观测到的数据。特别是复杂的气体动力学背后，应该是有简单的物理机制的。
起初，因为观测到的气体富含重元素，不少同行认为，气体运动学显示气体正在从内部喷向外部，也即“外流”。然而用国际上不少流行的“外流”模型来拟合数据，并不能很好拟合观测到的数据点。
就当团队百思不得其解时，团队成员之一、清华大学副教授许丹丹提出，试一下旋转的、带有角动量的气体吸积（内流）是否能够解释观测数据。这种图像是先前所忽略的，因为被重元素增丰的气体通常都会认为是被星系内部喷出来的。然而从数值模拟中，人们的确发现，重元素丰度高的气体的确被外流带入大尺度星系周介质中，但相当一部分气体在暗物质晕引力和环境角动量共同影响下，在暗物质晕中，如喷泉一样，以纤维网形式旋进回流星系[5]。
当用循环内流模型尝试拟合数据时，看似复杂无规律的多个速度组分，可以被这一简洁而优美的模型完美拟合。
此外，循环内流解决了多个基本问题：
（1）被重元素增丰的气体，可以通过重元素复合辐射、禁戒跃迁辐射很有效冷却，从而形成恒星。这种冷气体流，可以一定程度解决大质量星系恒星形成之谜。（2）引力与气体热压的共同作用可以自然产生观测中看到的，气体速度随中心距离减小而减小的数据点。（3）可以自然解释气体在小尺度的纤维状结构和它们的角动量。
根据气体运动学模型，冷气体的内流速率达到 713 太阳质量每年，远高于中心星系恒星形成速率 （81太阳质量每年）。这也就意味着丰度很高的循环内流足以维持宇宙早期大质量星系中剧烈的恒星形成活动。同时，猛犸象-1号星云处于一个巨大的星系群中，这个星系群在大尺度的角动量，与猛犸象-1号星云的小尺度气体的角动量方向一致。大尺度结构、星系周气体和星系构成一个共同旋转的和谐系统（co-rotation system），表明大尺度结构的角动量可能会调制中心星系的活动。
于是，从这样一个观测结果，可以梳理了一个
逐渐清晰的“星系生态系统”图像
(图4)：
1. 黑洞的核心作用
——活动星系核提供能量动量反馈，对星系内以及星系周围的气体进行重元素增丰，并将气体带到大尺度。这些被重元素增丰的气体，比原初的气体更容易冷却，形成恒星所需的冷气体“原料”。
2. 暗物质晕的凝聚作用
——提供引力势阱，从外围凝聚并吸收气体原料，同时，这种凝聚作用也可以让被重元素增丰的气体，具备重回星系的可能。
3. 大尺度环境的“群众”调节作用
——提供角动量，让被重元素增丰的气体在拖拽及潮汐作用下，以纤维状，并且具有一定角动量，旋进进入星系，形成观测到的“循环”内流。值得一提的是，角动量的大小影响着能够驱使恒星所需的原料——“冷气体”流入的速率，从而影响中心星系恒星形成的效率。
图4: 光谱观测的循环内流驱动恒星形成示意图（艺术加工图）。图片：作者提供。
“交通成和而物生焉”，正如一个社会、一个团队，需要核心、团队凝聚力、外部环境的和谐、协同作用。特别的，外部的扰动不能太强，但亦不能没有。星系这个复杂系统，完美体现了这一点。
5. 总结和展望
反馈冷流对星系的作用，在日常生活中也有类似的作用。比如，暗物质晕也好比星系的“土壤”，恒星好比土壤中长出的果实。星系从暗物质晕中吸收气体（营养），形成恒星；另一方面，星系中黑洞吸积产生的光压反馈等，会驱动星系中富含重元素的气体推回到“土壤”中，使“土壤”变得“更有营养”。这些营养会再次回到星系里，形成循环内流，驱动恒星形成。因此循环内流可能是大质量星系质量增长的重要机制。正应了那句诗：“落红不是无情物，化作春泥更护花。”
从模拟和观测都有理由相信，循环内流机制普遍存在于早期宇宙大质量系统中。
它让人们对星系与环境物质交换有了更加全面的认识。未来，利用国际上新一代光谱巡天望远镜、结合多波段观测以及宇宙学数值模拟，人们一定可以对黑洞、暗物质晕及大尺度环境如何影响星系演化有更加深刻的理解和认识。
最后的彩蛋：本次对循环内流的观测模拟动画，欢迎欣赏。
作者简介：
蔡峥，清华大学天文系副教授。本科毕业于中国科学技术大学，博士毕业于美国亚利桑那大学。2019年回国加入清华大学天文系，研究领域为早期星系宇宙学。曾获2021年清华大学“学术新人奖”、2022年清华大学“良师益友”，北京天文学会天文科普奖、2022年IOP高被引论文奖等。他正在全力推进国际第五代光谱望远镜——宽视场光谱巡天望远镜（MUST）的建设。他也是励志纪录电影《大学》主演之一。
张世武，清华大学天文系博士生。研究方向为早期宇宙星系与星系周介质共同演化。
参考文献：
1. Tumlinson, Jason, Molly S. Peeples, and Jessica K. Werk. “The circumgalactic medium." Annual Review of Astronomy and Astrophysics 55 (2017): 389-432.
2. Dekel, A., Birnboim, Y., Engel, G. et al. Cold streams in early massive hot haloes as the main mode of galaxy formation. Nature 457-459
3. Anglés-Alcázar, Daniel, et al. "The cosmic baryon cycle and galaxy mass assembly in the FIRE simulations." Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 470.4 (2017): 4698-4719.
4. Cai, Zheng, et al. "Discovery of an enormous Lyα Nebula in a massive galaxy overdensity at z= 2.3." The Astrophysical Journal 837.1 (2017): 71.
5. Wang, Sen, et al. "From large-scale environment to CGM angular momentum to star-forming activities–I. Star-forming galaxies." Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 509.3 (2022): 3148-3162.
6. Zhang Shiwu, Cai Zheng et al. “Inspiraling streams of enriched gas observed around a massive galaxy 11 billion years ago”, Science, VOL 380 ISSUE 6644, 494-498
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蔡峥 张世武约 8 分钟