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巨型星系如何在宇宙大爆炸后14亿年形成：一项新发现
当享有盛誉的哈勃太空望远镜对早期宇宙进行深场研究时，它发现了一些至今仍让天文学家困惑的事情。当宇宙只有几十亿年历史时，它就已经被几个大型星系所占据。随着詹姆斯·韦伯太空望远镜的部署，这一谜团进一步加深，因为它观测到了更早存在的丰富明亮星系。对于天文学家来说，这引发了一个问题：在大爆炸后不久，如此巨大且演化成熟的星系是如何存在的。
为了解决这个谜团，来自马克斯·普朗克射电天文学研究所（MPIfR）的一个团队利用阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列（ALMA）的数据，观测了SPT2349-56的中心。这个极其巨大的原星系团在大爆炸后仅14亿年就被阿塔卡马探路者实验（APEX）观测到。在那里，他们观测到四个紧密相互作用的星系，它们正以惊人的速度形成新恒星。他们的发现表明，巨型椭圆星系可能通过幼年星系团的快速坍缩而形成。
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这项发现背后的团队由MPIfR和波恩大学的博士研究员尼古劳斯·苏尔泽瑙尔（Nikolaus Sulzenauer）领导。他与来自世界各地大学和研究所的国际团队合作，其中包括赫茨伯格天文与天体物理研究所、哈佛-史密森天体物理中心、熨斗研究所计算天体物理中心、恩里科·费米研究所、欧洲南方天文台（ESO）、美国宇航局喷气推进实验室以及多所大学。他们的研究“红移4.3处星系团的一个大质量核心”发表在《自然》杂志上。
根据传统观点，天文学家们期望在宇宙早期只发现年轻恒星和高恒星形成率的星系。然而，他们却观测到许多拥有较老恒星群和很少新恒星形成的椭圆星系。普遍接受的宇宙学模型表明，大质量椭圆星系形成的时间不足。MPIfR和波恩大学的博士研究员、该研究的主要作者尼古劳斯·苏尔泽瑙尔在MPIfR新闻稿中解释道：
“在一个大型星系通过引力相互作用和较小构成部分的合并而分层增长的宇宙中，一些巨型椭圆星系必然以与先前设想完全不同的方式形成。它们可能不是在140亿年中缓慢聚集质量，而是在短短几亿年内迅速出现一个大质量椭圆星系。”
“它可以通过一个主要原始结构的坍缩和聚结而形成，所需时间与太阳绕银河系中心公转一次的时间相当。我们发现，密度最高的结构必须在当前宇宙年龄的10%时首先与宇宙膨胀解耦，然后迅速组装成整个原星系团。”
SPT2349-56为天文学家提供了观察最早星系团的难得机会，因为它保持着早期宇宙中恒星形成率最高的记录。利用ALMA，该团队观测了原星团中心处的冷气体和尘埃，这些是新恒星形成的物质。在那里，他们观测到四个紧密相互作用的星系以约300公里/秒（186英里/秒）的速度喷射出巨大的电离气体云潮汐臂，这些潮汐臂的范围远超银河系。在亚毫米波长下，这些臂的亮度被冲击加热波增强了十倍，这些波激发了云中的电离碳原子。
令他们惊讶的是，他们观测到新恒星以每40分钟形成一颗的速度诞生，而如今银河系中形成少量新恒星需要一整年。正如苏尔泽瑙尔所指出的：
“这种明亮的辐射使我们能够精确测量引力喷射螺旋中气体的运动，它类似于围绕原星团核心的串珠。令我们惊讶的是，潮汐碎片团块与坍缩结构外部的20个额外碰撞星系链相连。”
“这暗示了一个共同的起源。我们第一次目睹了级联合并转化的开始。这个核心中40个富含气体的星系中的大部分将被摧毁，并最终在不到3亿年内——宇宙时间中的一眨眼——转化为一个巨大的椭圆星系。”
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该团队得到了不列颠哥伦比亚大学两名本科生进行的详细数值模拟的帮助。这些模拟与ALMA的观测结果以及对较老星系团的先前研究相吻合，表明同步的大型合并在整个宇宙历史中都发生过。他们的发现也可能有助于解释碳（有机化学和生命的基本组成部分之一）等重元素如何在早期星系团中被加热和输送。达尔豪斯大学的研究员、该研究的另一位主要作者斯科特·查普曼（Scott Chapman）说：
“虽然我们的发现为快速椭圆星系组装提供了令人兴奋的新见解，但合并冲击、超大质量黑洞生长产生的气体加热以及它们对恒星形成燃料的影响之间的各种相互作用仍然是巨大的谜团。声称完全理解巨型椭圆星系的‘幼年时期’可能还为时过早，但我们在将原星团中的潮汐碎片与当今星系团中大质量星系的形成过程联系起来方面取得了长足进展。”
