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早期宇宙中由年轻星系组成的集团，它们后续将演化为大型星系团，被称为原星系团。图片来源：N.Sulzenauer马克斯普朗克射电天文研究所
当著名的哈勃太空望远镜🔭开展深场观测、探索早期宇宙时，发现了一个至今仍令天文学家困惑的现象：在宇宙诞生仅数亿年之后，已存在多个质量巨大且结构成熟的星系。这一谜题随着詹姆斯韦布太空望远镜🔭的投入使用而进一步加深——该望远镜🔭观测到大量明亮星系，其存在时间甚至更早。对天文学家而言，这引发了一个根本性问题：如此庞大且高度演化的星系，如何能在大爆炸之后如此短暂的时间内形成？
这项发现由马克斯普朗克射电天文研究所（MPIfR）及波恩大学的博士研究员尼古劳斯苏尔岑瑙尔领衔。参与研究的还包括来自全球多所大学和研究机构的国际团队，其中包括赫茨伯格天文学与天体物理学研究中心、哈佛史密松天体物理中心、平流层研究所计算天体物理学中心、恩里科费米研究所、欧洲南方天文台（ESO）、美国国家航空航天局喷气推进实验室，以及多所大学。他们的研究成果《红移为4.3的一个星系团的大质量致密核》发表于《自然》期刊。
根据传统观点，天文学家预期在宇宙早期只能观测到年轻的恒星和星系，且其恒星形成活动十分剧烈。然而，实际观测却发现大量椭圆星系，其恒星种群普遍较为年老，且几乎没有新的恒星形成活动。目前主流的宇宙学模型认为，宇宙演化至今的时间尚不足以形成如此大质量的椭圆星系。马克斯普朗克射电天文研究所（MPIfR）及波恩大学博士研究生、本研究第一作者尼古劳斯苏尔岑瑙尔在MPIfR新闻稿中对此作出解释：
在宇宙中，较大星系通过引力相互作用与较小结构的并合而逐级增长。然而，某些巨型椭圆星系的形成方式可能与以往认知截然不同：它们并非在约140亿年的时间尺度内缓慢积聚质量，而是可能仅需数亿年便迅速形成。 这类星系可通过一个主要原初结构的坍缩与并合而诞生，所需时间大致相当于太阳绕银河系中心公转一周的周期。研究发现，密度最高的那些原初结构，早在宇宙当前年龄约十分之一时便已率先脱离宇宙整体膨胀，并快速聚集形成完整的原星系团。
它可以通过一个主要原初结构的坍缩与并合形成，所需时间相当于太阳绕银河系中心公转一周的时间。我们发现，密度最高的那些结构必须在宇宙当前年龄仅10%时就率先脱离宇宙膨胀，随后迅速组装成完整的原星系团。
令他们惊讶的是，他们观测到新恒星以每40分钟形成一颗的速率诞生，而如今在银河系中，仅形成寥寥数颗新恒星就需要整整一年时间。正如苏尔岑瑙尔所指出的那样：
这一明亮的辐射☢️使我们能够精确测量该引力抛射螺旋结构中气体的运动，其形态宛如环绕原星团核心的一串珠链。令我们惊讶的是，潮汐碎片团块与坍缩结构外围的另外20个正在碰撞的星系构成了一条链状结构，暗示它们可能拥有共同的起源。这标志着我们首次观测到一场级联式并合转化过程的初始阶段。该核心区域内的约40个富气星系大多将被瓦解，并最终在相对较短的时间尺度内演化为一个巨型椭圆星系。
这暗示了它们具有共同的起源。我们首次观测到级联并合转化过程的开始。该核心区域内的约40个富气体星系大多将被摧毁，并最终在不到3亿年内合并形成一个巨大的椭圆星系——这一时间尺度在宇宙演化中仅如一瞬。
该团队得到了来自不列颠哥伦比亚大学的两名本科生开展的详细数值模拟工作的支持。这些模拟结果与阿塔卡马大型毫米波亚毫米波阵列（ALMA）的观测数据以及此前对较古老星系团的研究相吻合，表明在宇宙历史中，星系团内曾反复发生过同时性的大规模并合事件。相关发现还有助于解释碳等较重元素（碳是有机化学及生命的基本构成要素之一）在早期星系团中被加热并输运的机制。达尔豪西大学研究员、本研究主要作者斯科特查普曼表示：
尽管我们的研究结果为椭圆星系的快速形成提供了令人振奋的新见解，但并合激波、超大质量黑洞增长所引发的气体加热效应，以及这些过程对恒星形成所需气体燃料的影响之间的多重相互作用，仍是亟待解决的重大谜题。目前或许尚不足以宣称已全面理解巨椭圆星系的早期演化阶段，但我们已在将原星系团中的潮汐残骸与当今星系团内大质量星系的形成过程相联系方面取得了显著进展。
BY: Matthew Williams
FY: AI
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