首次清晰成像，清華大學蔡崢團隊揭秘星系循環及形成演化關鍵

「列星隨旋，日月遞炤；萬物各得其和以生，各得其養以成……」5月5日，清華大學天文系副教授蔡崢引用了《荀子—天論篇》中的一句話來解釋宇宙運行規律，奇妙的是，古人的浪漫想像與蔡崢團隊近期對於宇宙早期大質量星系運行的研究結論相互印證、相互吻合。

日前，清華大學天文系團隊通過全波段數據，直接探測到早期宇宙中星系周圍氣體進入星系的詳細過程，證實了重元素丰度較高的「循環內流」是驅動星系恒星形成的關鍵。據悉，相關研究成果於5月5日以長文形式在線發表於《科學》（Science）。

「這是全世界一直在探索的東西。」蔡崢說道。據悉，此次研究首次對星系的循環氣流進行了清晰成像，這對於人類理解星系「生態系統」及星系演化邁出了重要一步。

揭開星系內外氣體流動過程謎題

「星系吸積星系外氣體形成恒星」的詳細過程，一直是天體物理學研究的熱點。已有觀測發現，在非常早期的宇宙中，大質量星系內部正在劇烈地形成恒星。但是對於氣體流入星系的詳細過程人們還沒有充分理解，流入的氣體又是如何驅動恒星形成的過程也未被揭示。

為了揭開這一謎題，來自清華大學的蔡崢副教授團隊，利用世界上最大的光學望遠鏡——「凱克」對一個巨大的氣體星雲進行了觀測，並利用其先進的成像光譜儀——「宇宙網成像器」，成功探測到了星系周圍氣體的氫元素以及多種重元素輻射，並進一步估計出重元素的大尺度空間分佈。

這個氣體星雲叫作猛獁像一號星雲，是蔡崢在2017年發現的，距今110億光年。

這項研究在世界範圍內選取了七八個觀測點位，僅數據積累就用了四五年時間，其中，「在凱克望遠鏡觀測了三個晚上，進行了非常長的曝光。」

蔡崢解釋，凱克望遠鏡的成像光譜儀能夠檢測到不同波長的光，並將不同波長的光波進行成像，「可以理解為拍出來許多的黑白照片，然後進行三維成像，這樣就能夠把環境中的重元素分佈清楚地呈現出來。」

經過2年時間的數據分析，最終，團隊通過光譜和數值模擬分析發現，這些富含重元素的電離氣體，極可能是早先被星系中心的活動星系核噴射到星系周圍，通過復合輻射、禁戒躍遷輻射等過程冷卻下來，在引力和環境角動量共同作用下，重新回流入星系，形成「循環冷氣體流」。對觀測到的氣體動力學建模進一步表明，循環氣體流是朝星系流入的，可以促進和維持恒星形成活動。

蔡崢指出，本次發現對星系如何與大尺度環境進行物質交換提供了清晰的圖景，表明「循環氣體流」（recycling inflow）是驅動早期宇宙大質量星系形成的重要機制。

用簡單模型來解釋複雜星係數據

這次研究發現顛覆了人們以往對於星系形成的理解。

記者瞭解到，此前人們已經觀測到，星系存在內流和外流，星系從周圍介質中吸收氣體（內流），同時黑洞在光壓作用下把氣體推到更大尺度上（外流），但對於內流和外流的理解基本是割裂開的，忽略了「循環」。

而蔡崢團隊此次研究，第一次對宇宙早期暗物質暈的氣體流如何流向星系進行了清晰的成像，將星系氣流的循環清晰地展現出來。

觀測到的氣體動力學數據非常複雜，但蔡崢堅信，宇宙的東西都是很優美的，再複雜的數據，也一定可以用簡單的模型來解釋。

蔡崢講述了數據分析過程中的一個「插曲」。拿到成像後，蔡崢第一反應將其理解為氣體是向外流出，但是後來發現，這個模型無法解釋團隊觀測到的動力學。「我就跟很多很多人去聊，最後許丹丹副教授告訴我，可以考慮氣體並不是往外流，而是帶有一定角動量的調頭往里流，這樣應該能夠解釋你們所觀測到的動力學。」

「這句話一下把我之前幾年的困惑掃除了。」蔡崢說道。經過嘗試，發現這樣的模型可以很好地解釋所觀測到的圖像，以及和數據進行匹配。「氣流形成了三個旋臂，像絲帶一樣，非常完美。」

「也就是說，被黑洞推出去的氣體，最終又流回了星系。而且這些氣體經過在周圍暗物質的‘土壤’中進行增豐，重元素丰度更高，所以冷卻會更快，回到星系就更容易形成恒星，也加速了整個宇宙中恒星的形成。」

「正所謂‘落紅不是無情物，化作春泥更護花。’」在蔡崢眼裡，任何複雜事物的內在規律是存在相似性的，他也希望從天體物理的複雜系統中，看到社會規律、人生規律、萬物運行的規律。

據悉，相關研究成果於5月5日以長文形式在線發表於《科學》（Science），蔡崢為項目PI（主要研究者），文章通訊作者、共同第一作者；博士生張世武為論文的第一作者，清華大學副教授許丹丹等提供了重要的理論支持。

國內光譜巡天望遠鏡「未來可期」

對於蔡崢的名字和麵孔，很多人已從2021年上映的紀錄電影《大學》中所熟知。

作為影片中主角之一，電影記錄了他從旅美十年的「哈勃學者」到回國入職清華大學天文系的過程，他積極推動要為中國製造一台世界領先的寬視場光譜巡天望遠鏡，很多人為他「仰望星空」的大膽設想和家國情懷所打動。

而望遠鏡作為關鍵設備，對天體物理研究極為重要。蔡崢指出，此次研究發現所使用的設備主要依賴國外的全波段望遠鏡，但在他看來，「未來可期」—— 結合更大口徑、更大視場的光譜巡天望遠鏡，例如中國正在建設中的空間站巡天望遠鏡，以及清華大學正在推動建設的MUST巡天望遠鏡等，將讓人們有望揭示星系中恒星形成的全貌。

蔡崢所提到的後者，就是電影《大學》中蔡崢所致力建設的望遠鏡。根據計劃，要在青海冷湖賽什騰山建設一架口徑6.5米的寬視場（光譜）巡天望遠鏡（MUST），這也可能會是國際首台第五代光譜巡天望遠鏡。

記者瞭解到，目前蔡崢一半以上的精力都放在推動這台大望遠鏡的建設上。「我們要爭取2029年把它放在青海冷湖。」蔡崢告訴記者，如果這台望遠鏡投入使用，會大大加速對星系形成及演化的研究，並加深對整個宇宙暗物質的理解。

「暗物質和暗能量可以說是21世紀最大的未解之謎了。」蔡崢指出，星系和宇宙是連在一起的，如果想研究清楚這些宇宙的未知，首先需要對星系和物質的相互作用有清晰的理解，才能把研究推進到更大尺度上。相信這項工作，對於人類探索宇宙也會有借鑒作用。

「目前我們只是對一個大質量星系進行了成像，今後，可以對一批不同質量不同環境的星系進行成像，然後來詳細理解星系到底是如何演化的。利用更先進的觀測設備，我們很快就能從宇宙幾億個天體中篩選出有氣體星雲來做詳細的分析。未來二十年，我們一定可以對星系形成和演化的全貌有更全面的認知。」蔡崢說道。

新京報記者 馮琪

編輯 繆晨霞 校對 劉軍