简介：天文学家已经使用被称为引力透镜的宇宙放大镜来捕捉一个与我们的银河系有一些惊人相似之处的星系发出的光——这一发现可能对星系的进化有深远的影响 ， 可能会改变我们对星系演化的看法
宇宙放大镜发现了早期宇宙中类似银河系的星系,和宇宙学家的期望并不相符 。
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天文学家使用ALMA（阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列望远镜）射电天文台发现了一个极为遥远的星系（SPT0418-47） ， 看起来与银河系非常相似 。 该星系受附近星系引力透镜效应影响 ， 在天空中呈现出近乎完美的圆形光环 。 【
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阿塔卡马毫米/亚毫米波阵列望远镜位于智利北部的阿塔卡马沙漠【图源：twanight】
当天文学家遥望深邃的宇宙 ， 能从如此遥远的距离看到的 ， 可能只有那些极为明亮的星系 。 而宇宙放大镜——又称引力透镜 ， 却能让我们看见数十亿光年远的普通星系 。
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引力透镜示意图【图源：Wikimedia】
如今 ， 天文学家们已经利用引力透镜捕捉到了一个与银河系有着明显相似之处的星系所发出的光 ， 这一发现可能会对星系演化产生深远影响 。
弗朗西斯卡·里佐（德国马克斯·普朗克天体物理学研究所）和他的同事观测到了来自120亿年前的一个星系发出的光 ， 那是一个正在形成的年轻星系 。 它发出的光行进了90亿年 ， 偶然情况下经过位于它和我们观察者之间的前景星系 。 前景星系的引力使光线弯曲从而扭曲了星系的形状 。 因此 ， 从我们地球的角度来看 ， 遥远的星系呈现出一个完整的环形 ， 即爱因斯坦环 。
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马克斯?普朗克天文研究所是马克斯?普朗克协会的一个研究机构 。 它位于德国巴登-符腾堡海德堡 ， 靠近奥登瓦德 ， 毗邻历史上的王座山天文台（Landessternwarte Heidelberg-K?nigstuhl）【图源：Wikimedia】
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哈勃太空望远镜拍摄到的“爱因斯坦环” 。 红色星系充当了蓝色遥远星系的引力透镜 。 【图源：NASA】
里佐（Rizzo）的团队使用位于智利的阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列望远镜（ALMA）拍摄了该星系冷气体的光芒以及恒星形成产生的辐射 。 他们而后根据观测到的图像 ， 重建了这个星系 ， 复原了它未经引力透镜扭曲 ， 本该显在ALMA上的样子 。 里佐说 ， 这个过程相当棘手 ， 不过扭曲的星系图像是个完整的爱因斯坦环 ， 这一点很有帮助 ， 它缩小了重建过程中的不确定空间 。
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研究小组使用计算机建模技术解析了ALMA数据 ， 从而还原了遥远星系的真实形状 ， 如图所示 。
经过计算机还原的星系很小 ， 大约比银河系小10倍 ， 而且其中的恒星造星运动非常活跃 ， 其速度约为银河系中恒星形成速度的100倍 。 目前的推测：早期宇宙中的星系刚刚开始生长 ， 因此天文学家认为这些星系会比较小并且生成新恒星的速度非常快 。
不过 ， 这个代号为SPT0418-47的星系的形状和运转方式都与银河系惊人地相似 。 他和银河系一样 ， 是一个带有凸起的盘状星系 。 而且出乎意料的是自转很大程度上主导了星系的气体运动 。 在这个星系中 ， 自转运动相较于随机运动占主导地位 ， 比率约为10：1 。 这些结果刊登在8月12日（2020年）的《自然》杂志上 。
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上图显示了星系SPT0418-47中的气体运动 ， 其中蓝色和红色分别表示气体运动朝向和远离观察者 。 左图为爱因斯坦环中的气体运动 ， 而右图为重建星系中的气体运动 。 根据这些观察结果推断 ， 星系呈圆盘状 ， 中心带有凸起 ， 星系中的冷气体围绕中心旋转 。 【
天文学家通过宇宙学模拟推测出在早期宇宙疏松的盘状星系中 ， 影响气体运动的因素除了自转外 ， 还有许多其他的作用力 。 比如新生恒星发出的辐射 ， 还有超新星爆发都能推动气体向外散发 。 同样 ， 位于星系中心的吞噬气体的黑洞可能喷射等离子流 ， 从而扰乱星系中心的气体旋转 。 但是这些力量似乎并没有扰乱这个星系的运动 。 它的盘面像银河系一样平稳地旋转 。
不过 ， 马塞尔?尼尔曼（Marcel Neeleman ， 德国马克斯?普朗克天文研究所）强调 ， 利用宇宙学模拟来进行这种比较并非易事 。 他说：“对于宇宙学模拟而言 ， 想要真正测量旋转运动与随机运动的比率仍然非常困难 。 要正确测量出这个数量并进行数据对比 ， 就需要对冷气体进行建模 ， 而大多数模拟模型（包括本文提到的宇宙模拟模型TNG50）都无法做到这一点 。 ”
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宇宙模型TNG50其中8个星系的模拟星光图像 ， 包括俯视图和侧视图 。 【图源：tng-project】
也就是说 ， 尼尔曼认为要想从年轻宇宙更多的星系样本中复现这些发现 ， 我们的确可能需要重新审视自己对星系演化的认知 。
尼尔曼解释说 ， 以前的宇宙模拟模型中 ， 星系往往过早地演化出太多恒星 。 当前的模拟模型通过纳入其他已知步骤来解决这个问题 ， 例如上述提到吞噬气体的黑洞和新生恒星产生的反作用力 。 加入这种反馈能够防止宇宙气体产生太多的恒星 ， 还会扰动气体 ， 使其产生湍流 。
“但是 ， 气体没有湍流并不是未加入反馈的模型过早演化出太多恒星的原因”， 尼尔曼说 。 也许恒星的形成和黑洞的吞噬仍然起着一定的作用 ， 但并不会扰动冷气体 。 也许反馈的作用并没有我们想像的那么重要 。
星系的命运
我们所见的是这个星系婴儿时期的影像 ， 当时宇宙形成不足20亿年 。 但是 ， 即便是星系也必然走向衰老 。 我们永远都不会看到这个星系的即时图像 ， 但可以肯定 ， 它必然大不相同 。
依照我们目前对星系演化的认知 ， 该星系终将耗尽恒星形成所需的物质 ， 并与其相邻星系发生一些合并 ， 最终成为一个巨大的椭圆星系 ， 仅有年老的红色恒星昭示着宇宙中时间的流逝 。 （里佐说 ， 银河系存在于一个完全不同的宇宙中 ， 它将避免这种“红色死亡”的命运 。 ）
然而 ， 如果这个星系和其他类似星系的发现最终改变了我们对星系演化的看法 ， 目睹这些预测的改变将成为一件趣事 。
作者:MONICA YOUNG
FY:I
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