2024年11月23日, 星期六

A giant central red disk galaxy at redshift z = 0.76: Challenge to theories of galaxy formation

       按照星系的形状,哈勃将星系分为椭圆星系和漩涡星系。天文观测表明,椭圆星系呈(椭)球状,一般停止了恒星形成活动,恒星年龄较老,颜色较红;漩涡星系呈盘状,大多数还在继续形成恒星,恒星年龄较小,颜色较蓝。

       现有的星系形成模型很好的解释了这一现象。首先,形成于暴涨时期(inflation)的宇宙初始量子扰动,在引力不稳定性的作用下,逐渐增长,形成了现在的宇宙网络。在宇宙网络物质密度的峰值处形成的由暗物质主导的自引力(self-gravitation)系统被称作暗物质晕(dark matter halo)。暗物质晕的增长是等级成团的,大的暗物质晕会吸积小的暗物质晕及其气体。当气体被吸积到暗物质晕中,会被激波(shock)加热,通过辐射能量,这些气体会慢慢冷却并旋入暗物质晕的中心,形成漩涡(盘)星系。随着暗物质晕的增长,周围的其他星系会被吸积到暗物质晕中变成卫星星系,在动力学摩擦(dynamical friction)的作用下,一些卫星星系,尤其是较大质量的卫星星系,会和中央星系发生并和。中央漩涡星系和较大质量卫星星系的并和会显著的改变星系的结构,形成一个椭圆星系或带有显著核球的漩涡星系。观测表明,星系中心超大质量黑洞(super-massive black hole)的质量与核球质量紧密相关,因此,椭圆星系,特别是大质量星系,中心一般都有一个超大质量黑洞。超大质量黑洞的活动星系核反馈(AGN feedback)形成的能量流和物质流会加热和吹走星系周围的冷气体,抑制星系的恒星形成活动,使星系变红。因此,椭圆星系一般呈红色,盘星系呈蓝色。

       大质量的星系一般都处于较深的引力势阱中,它们会经历频繁的星系并和,无法维持盘状结构,所以观测到的大质量星系绝大多数都是红的椭圆星系,极少数生活在宇宙空洞中的大质量星系,较少经历并和,还能维持盘状结构,持续形成恒星。

       因此,在现有的星系形成模型中,无法形成大质量的红色盘星系,已知的物理机制无法让大质量盘星系停止恒星形成活动。近期,上海交通大学天文系景益鹏院士课题组通过HSC、CLAUDS等深场巡天数据,发现了一个90亿光年外的恒星质量为430亿倍太阳质量的红盘中央星系,该星系的恒星质量约为银河系的10倍。

       研究团队通过u*-z波段颜色图像和星系的光谱确认该星系已经停止了恒星形成,通过拟合星系的z波段图像,发现其光度轮廓随半径呈e指数衰减,判断其为盘星系。

       该星系的发现极大的挑战了现有的星系形成模型,该成果作为封面文章发表在《SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy》,上海交通大学天文系博士生徐坤为第一作者,景益鹏教授和刘成则研究员为共同通讯作者,课题组计划对该星系进行进一步的观测和研究。

       该研究工作得到了国家自然科学基金委(NO. 11533006, 11621303,11890691)和111计划(NO. B20019)的资助,以及粒子物理、天体物理和宇宙学教育部重点实验室的支持。