清华大学天文系团队通过全波段数据，直接探测到早期宇宙中星系周围气体进入星系的详细过程，证实了重元素丰度较高的“循环内流”是驱动星系恒星形成的关键，为理解星系“生态系统”及星系演化迈出重要一步。星系吸积星系外气体，形成恒星的详细过程是当前和未来天文学研究的热点。理论认为，对于一般大质量星系而言，由于其本身巨大的引力势能导致物质在塌缩过程中被激波加热，使得流入星系的气体具有很高的温度，无法有效冷却，从而不能顺利聚在一起、形成恒星。然而，这一理论与新的观测相悖，因为在非常早期的宇宙中，已经发现一些大质量星系存在着剧烈的恒星形成。这也就意味着，人们还没有充分理解气体流入星系的详细过程，流入的气体如何驱动恒星形成过程也尚未被揭示。为了解开这一谜题，来自包括清华大学、广州大学、深圳技术大学的国际天文团队，利用世界上最大的光学望远镜——“凯克“对距今110亿年的一个巨大的气体星云进行了观测。利用先进的成像光谱仪——“宇宙网成像器”，清华大学团队成功探测到了星系周围气体的氢元素、以及多种重元素辐射并进一步估计出重元素的大尺度空间分布。这意味着在宇宙早期，星系周围气体已经富含重元素。进一步的光谱和数值模拟分析发现，这些富含重元素的电离气体极为可能是早先被星系中心的活动星系核喷射到星系周围，通过复合辐射、禁戒跃迁辐射等过程冷却下来，在引力和环境角动量共同作用下，重新回流入星系，形成“循环冷气体流”。运动学建模进一步表明，循环气体流是朝星系流入的，可以促进和维持恒星形成活动。
本次发现对星系如何与环境进行物质交换进行了清晰的成像。表明富含重元素的循环气体流可以驱动星系中剧烈的恒星形成活动。该发现为理解星系生态系统、星系形成和演化迈出了关键的一步。未来，结合更大口径或更大视场的光谱巡天望远镜，人们有望揭示星系中恒星形成的全貌。相关研究成果于5月5日在线发表于《科学》杂志。该工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、清华大学等单位的支持。清华大学蔡峥教授为项目PI，文章通讯作者、共同第一作者；博士生张世武为论文的第一作者，清华大学许丹丹教授等提供了重要的理论支持。合作单位包括日本早稻田大学、德国马克斯-普朗克研究所、加州大学、浙江大学、普林斯顿大学、犹他大学、北京大学、广州大学、厦门大学、深圳技术大学、亚利桑那大学、中国科学院国家天文台、上海天文台等。 蔡峥，清华大学天文系副教授。博士毕业于美国亚利桑那大学。2016年获美国NASA哈勃学者；2019年回国加入清华大学天文系，研究领域为早期星系宇宙学。曾获2021年清华大学“学术新人奖”、2022年清华大学“良师益友”，北京天文学会天文科普奖、2022年IOP高被引论文奖等。他正在全力推进国际第五代光谱望远镜——宽视场光谱巡天望远镜（MUST）的建设。他也是励志纪录电影《大学》主演之一。 
张世武，清华大学天文系博士生，2018年本科毕业于广西大学，目前即将进入深空探测实验室任助理研究员职位，研究方向聚焦于早期宇宙星系与星系周介质共同演化过程。 本文由论文作者团队特邀供稿，文中观点仅为作者团队观点，不代表Science/AAAS立场。
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