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加州理工学院的一些天文学家日前发现了距离我们100亿光年的一个巨大的旋转气体盘。
宇宙网的一条纤维（左侧平行线勾出的区域）正在给原星系（右侧椭圆勾出的区域）输送气体。图片来源：加州理工学院
这是一个正在形成的新星系，正在积极地吞噬着源于大爆炸的原始气体。通过加州理工学院设计并建造的帕洛马山天文台宇宙网成像仪（Cosmic Web Imager, CWI），研究人员能够拍摄到原星系的照片，并发现它与一条由星系际介质组成的纤维结构相连，后者就是星系间纵横交错的弥散气体构成的宇宙网的一部分。
此发现为星系形成的“冷流理论”（cold-flow model ）提供了强有力的观测支持。“冷流理论”认为，在宇宙的早期，温度相对较低的气体通过宇宙网直接输送给星系，为恒星的快速形成提供了动力。
由这些科学家撰写的一篇描述如何用宇宙网成像仪获得此发现的论文已经发布在网站了，并将在8月13号在《自然》杂志上发表。
“这是第一个解释星系如何形成的确凿证据。”加州理工学院的物理学教授，同时也是文章的第一作者Christopher Martin解释说，“即使模拟和理论工作都强调了‘冷流’的重要性，关于‘冷流’在星系形成中的角色的观测证据还是十分缺乏的。”
研究人员发现的原星系盘的直径大约是40万光年，是我们的银河系直径的四倍。它位于一个由两个类星体支配的系统中。这两个类星体中较近的UM287的位置很合适，恰好使它的辐射像手电筒光发出的光束一样，照亮了向旋涡状的原星系输送气体的宇宙丝。
去年，当时在加州大学圣克鲁兹分校的Sebastiano Cantalupo教授和同事也在《自然》上发表了一篇文章，声称他们发现了一条离UM287很近的巨大的宇宙丝。他们观测到的物体如果真的是宇宙丝的话，那么它的亮度就太高了。看起来它可能是另外某种物体。
2014年9月，Martin，Cantalupo和其他同事决定继续用宇宙网成像仪进行观察。作为一个积分视场摄谱仪，宇宙网成像仪能够同时捕捉UM287附近的不同波长图像，这些图像能够揭示UM287的构成、质量分布和速度。
Martin和同事主要关注一种叫做莱曼α线的紫外发射线附近的波段。这条谱线是原子氢的标记，通常被天文学家用于追踪原始宇宙的物质。
研究人员采集了各个波段的图像。将这些图像结合起来，就能得到一张两个类星体之间一块天区的多波段地图。这种数据描绘了发出莱曼α线的气体的具体位置，并且显示出气体相对于双类星体系统中心的运动速度。
“这些图像直观地展示出一个旋转气体盘的存在——你可以看到它的一侧在向着我们运动，另一侧则在远离我们。你也可以看到有一条从盘中伸展出的宇宙丝。”Martin说。他们的测算显示出这个转盘以大约每秒400千米的速度旋转，比银河系的速度略快。
“这条宇宙丝的速度差不多是恒定的。它以固定的速率将气体传输到原星系盘里。”Matt Matuszewski博士说。他是Martin所在团队的仪器科学家，也是文章作者之一。“一旦气体与暗物质晕里的原星系盘合并，就会同时被盘中旋转的气体和晕中的暗物质拉扯。”暗物质是一种特殊的物质形式，科学家相信宇宙总质量的27%是由这种我们看不见的物质构成的。通常认为，星系是在比星系盘延伸得更远的暗物质晕中形成的。
这次的新观测以及测算首次为所谓的星系形成的“冷流”模型提供了直接证明。
这个冷流模型与过去的标准星系形成理论是对立的，曾在2003年引发了热议。标准理论认为，当暗物质晕会带着大量的气态普通物质跟它们一起坍缩，并将气体加热到非常高的温度。这些气体接着缓慢地冷却，为星系中恒星的形成提供了稳定但缓慢的冷气体供应。
这个标准理论一直没有受到质疑，直到加州理工学院的天文学教授Chuck Steidel在1996年发现，一群在宇宙大爆炸仅过了20亿年后就开始高速孕育恒星的遥远星系。标准模型不能解释这种快速形成的星系所需的大量气体原料是从何而来的。
相反，冷流模型却提供了一个可能的解释。理论学家认为，由宇宙网丝提供的相对冷的气体能直接流入原星系。在那里，这些气体能够快速凝聚形成恒星。模拟研究显示，当气体进入原星系时，它们携带着巨大的角动量（或旋转），会形成直径巨大的旋转气体盘。 “这是一个冷流模型的直接预测，并且这就是我们观察到的现象——一个巨大、带有巨大角动量的气体盘。”Martin说。
加州理工学院的理论天体物理学教授，没有参与这项研究的Phil Hopkins认为，新发现“非常有说服力”。
“作为证明了与宇宙网相连的原星系存在并且可被我们探测到的证据，这是非常激动人心的。”他评价道，“当然，如果你想要详细了解掉入星系的气体到底会怎么样的话，还需要更多的后续工作。”
Martin指出，他们的团队已经识别出另外两个以同样方式从宇宙网丝里吸收气体的原星系盘。（作者：Kimm Fesenmaier 编译：徐寒易） 来源：环球科学 |
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