http://www.sciencehuman.com   科学人  网站 2006-08-26

    [科技日报]

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中国教授与合作者发表研究成果：大质量星系在宇宙早期已大量存在

    本报北京8月21日讯（记者刘英楠　通讯员杨保国）中国科技大学天体物理中心教授孔旭与其国际合作者一起，利用日本、欧洲的大口径望远镜，在形成于宇宙早期的高红移星系中发现数量众多的大质量星系。他们在最近的美国《天体物理学报》和8月17日出版的英国《自然》杂志上发表的这一研究结果，对“小质量星系并合形成大质量星系”的星系形成“标准理论模型”提出严重挑战。

    目前科学家一般认为，宇宙诞生于近140亿年前的一次大爆炸中。那么早期的星系是何时形成、怎样形成，又是如何演化的？孔旭告诉记者，星系形成和演化的标准理论模型是“等级成团模型”，认为早期星系不同于现代星系的盘状结构，它们形状不规则、质量也都很小，所有大质量星系都是由数个小质量星系在不断碰撞、融合中形成，这个“并合”过程可能一直持续到1/3宇宙年龄。然而，事实真相是否果然如此？

    据了解，天文学家解答这些宇宙学研究的基本问题时，可从对形成于宇宙早期的高红移星系研究中获得帮助。专家介绍，光是电磁波，通常所谓的红橙黄绿青蓝紫七色，波长依次递减，而每个元素的光谱线都有确定的位置；宇宙中的星体，由于存在相互远离的位移，星光的光谱线向波长较长的方向移动，即向红端移动的“红移”。其中位移很大的高红移星系，离地球极其遥远，产生于宇宙历史的早期，对研究星系起源极有价值。

    然而，正是由于离地球十分遥远，高红移星系亮度都很暗，只能利用造价数亿或数十亿美元的8米级大口径望远镜才能观测到。鉴于国内现在还没有这样的装置，孔旭与其欧洲、日本、美国的合作者一起，利用日本昴星团望远镜(Subaru)和欧洲南方天文台甚大望远镜（VLT）等国际先进的大口径望远镜，开展高红移星系的形成和演化研究。他们观测到一个很大天区范围的星系光学和近红外波段的图像和光谱数据，利用最新发展的方法，发现了数量众多的大质量、正在进行剧烈恒星形成的高红移星系。

    专家介绍，远离地球的高红移星系，在望远镜的视场中的空间角尺寸小到只有几千分之一度，由于地球大气湍流效应，使望远镜很难区分高红移星系内部结构。最近，欧洲南方天文台甚大望远镜新安装了一个拥有自适应光学系统的二维光谱成像仪器设备SINFONI。它可以利用自适应光学仪器，扣除地球大气湍流的影响，使得仪器的空间分辨本领达到0.000004度，从而能够观测高红移星系的内部结构。

    通过和负责SINFONI运行的科学家的合作，孔旭等于今年4月对他们发现的高红移星系样本中一个编号为“BzK－15504”的星系（距离地球37亿光年）进行了星系二维光谱观测，在国际上首次获得了位于宇宙年龄1/5时刻的高红移星系物理特性和动力学特性的精细结构。研究表明， BzK－15504星系中央存在一个大尺度、高质量、快速转动的原始盘；星系外部的气体正在通过原始盘被吸入星系中心的黑洞区域；星系内部存在大量的暗物质；没有任何迹象表明两个星系的并合导致BzK－15504星系的质量增加。这些特性与人类所在的银河系非常类似，说明类似的大质量旋涡星系在宇宙的早期已经存在。

    孔旭等基于直接的观测证据的研究结果表明，在宇宙的早期已经存在数量众多的大质量星系；另外，这些星系内部并没有并合的迹象，也就是说并合过程不是形成大质量星系的唯一途径。他们的直接观测，“再现”了早期星系的出生和发育过程——在引力的作用下，星际分子云不断收缩、变密，最终塌缩成一个圆球，新的星系宣告降生；随后，圆球中央一个高速旋转的大圆盘，将星系周围的气体快速吸入其中心的巨大黑洞，通过这种大量的物质“吞噬”，在短短30亿年间成长为宇宙间的“大块头”。

    正如剑桥大学教授、美国《天体物理学报》主编Robert Kennicutt 博士在为该论文在《自然》配发的评述中指出：“理论的星系形成模型受到了严重挑战。”孔旭表示，研究小组正在对更多的早期星系进行观测，以证实早期宇宙确实已经孕育了数量众多的大质量星系，而不是像理论模型预言的那样都是小质量星系。

    [科学时报]