在星系中，除了恒星之外，还有一类神秘而重要的成分——星际介质。这些散布在恒星之间的气体和尘埃虽然质量远不如暗物质，但它们对塑造了星系的可见外观起了不可忽视的作用。星系演化的早期阶段，星际介质中的气体占据了绝大部分的重子物质质量。随着时间推移，这些气体逐渐被转化为恒星，同时也会以星系风的形式逸出，或在特殊情况下被剥离至星系间的空间[1]。这一复杂的过程被称为重子物质循环，而气体中由恒星过程产生的金属元素的空间分布可以提供理解这一循环的关键线索。星系中气体的金属丰度和其在不同处的差异即金属丰度梯度留下了星系中恒星形成的重要“足迹”，对其进行精确测量，可以帮助揭示星系的成长和演进历史，提供宇宙结构演化的关键信息。

金属丰度梯度  

金属丰度是指星系中气体或恒星中除氢氦以外较重元素的相对含量。这些较重元素只能通过恒星形成活动产生。在星系中，金属丰度通常会随星系中心到边缘的距离变化而改变，这一变化被称为金属丰度梯度。随着具有空间可分辨能力的积分视场光谱观测的增多，大多数近邻星系都呈现出这样的模式：星系中心的气体金属丰度通常较高，向外逐渐降低的负金属丰度梯度（图1）[2]。这一梯度可以通过“由内而外”的星系成长模式来解释。恒星先在中心区域形成，通过核聚变将氢、氦逐渐转化为重元素，并通过超新星爆发或恒星风将这些元素释放到星系气体中。星系中心区域的星系气体和星际介质因而经受更多的金属增丰，比星系外围区域的气体与星际介质更富集金属。星系并合和伴随剧烈恒星形成的反馈效应会带来气体外流，使金属丰度梯度显著变平甚至反转[3]。吸积贫金属气体到星系中心会造成正金属丰度梯度。因而，测量金属丰度梯度不仅能让我们了解星系中恒星的形成历史，还能揭示气体如何在星系中流动并相互作用。然而，对于那些遥远的高红移星系（红移z ≥ 1），这些金属丰度梯度的情况依然模糊，因而成为当前天文学研究的一个重要问题。   

图1：三种金属丰度梯度及其可能的物理成因。图（a）至（c）分别展示了负金属丰度梯度、平坦金属丰度梯度和正金属丰度梯度的示意图[2]。

高红移星系中金属丰度梯度的研究十分具有挑战性，主要是由于这些星系距离我们非常遥远，传统的观测手段难以获得足够高的空间分辨率来测量星系内部的化学分布。因此，揭示这些星系的金属丰度梯度需要新的观测技术和更先进的仪器。

MSA-3D项目：JWST全新的观测模式   

为了解开高红移星系的金属丰度梯度之谜，MSA-3D项目团队借助詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）开展了一项前所未有的精确观测[4]。詹姆斯.韦布空间望远镜（JWST，图2）在红外波段具备极高的灵敏度和分辨率，能够捕捉到来自更遥远、年轻星系的微弱信号。其中，JWST的近红外光谱仪（NIRSpec）作为核心仪器之一，具备同时观测多个星系的多目标观测功能（MSA），为高红移星系的研究提供了强大支持。

图2：JWST艺术效果图。

MSA-3D项目团队在NIRSpec中采用了“狭缝扫描”多目标三维光谱观测模式，通过精确移动狭缝获取星系不同位置的光谱，配合MSA的多目标观测功能，得以一次性观测多个高红移星系，而不必像传统模式那样逐一观测（图3）。得益于这一创新策略，MSA-3D项目不仅大幅提升了观测效率，也极大地缩短了数据采集时间。图3展示其中一个星系的电离气体中Hα发射线的流量分布，以及在流量最大位置处，即红框处的部分发射线附近的光谱。   

图3：从左到右依次为狭缝扫描模式观测示意图、该星系Hα发射线的流量分布以及星系旋臂位置的发射线光谱[3]。       

MSA-3D项目观测了43个红移在1附近的恒星形成星系，并成功测量了其中26个星系的气相金属丰度梯度[4]。通过这些观测，我们发现这些高红移星系的金属丰度梯度在-0.04到0.02dex/kpc之间，这意味着大多数星系的金属丰度在向外围延伸时逐渐降低或保持平坦。在MSA-3D项目之前，JWST研究高红移星系的金属丰度梯度通常只能针对少数个别星系，而此次项目通过全新的观测策略，实现了对大量星系的系统性测量，为高红移星系的金属丰度梯度提供了宝贵的统计数据。这一成果不仅提升了我们对早期宇宙中星系化学分布的理解，也为未来大样本星系研究提供了新的观测思路。

恒星质量与金属丰度梯度的关系   

通过分析观测数据，MSA-3D项目揭示了星系金属丰度梯度与恒星质量之间的密切关系（图4）。研究显示，质量较大的星系往往具有更显著的负金属丰度梯度，即星系中心的金属含量较高，逐渐向外围降低，这表明金属元素更多集中在星系的核心区域。而质量较小的星系则普遍表现出较为平坦的金属丰度梯度，说明这些元素在星系中分布得较为均匀。这一发现与目前的宇宙学模拟结果一致，尤其是包含强烈恒星反馈过程的FIRE-2模拟[6]。恒星反馈能够驱动星系内部气体的流动，从而改变金属的分布。这些反馈过程可能是解释不同质量星系中金属丰度梯度差异的关键因素。   

图4：金属丰度梯度与红移及恒星质量的关系。结果显示，质量较大的星系通常具有更显著的负金属丰度梯度，这与FIRE-2模拟的预测相符[5]。

星系动力学与金属丰度梯度的联系  

宇宙学模拟显示，随着星系的演化，它们从无序的状态逐渐发展成以径向分布为主的系统，最终形成稳定的盘状结构。这些成熟的盘状星系呈现出明显的径向特征，并逐步展现出更有序的形态和内部化学成分的稳定性[7]。MSA-3D观测项目也支持了这一发现，进一步揭示了金属丰度梯度与星系内部旋转盘结构的密切联系。稳定的旋转盘能够保持星系内部金属丰度的梯度分布，而湍流盘则显示出更为复杂的化学结构（图5）。          

例如，研究发现ID9960星系具有显著的金属丰度梯度和稳定的旋转盘结构，表明星系内部的旋转有助于维持其化学元素的空间分布。相比之下，ID4391星系则表现出湍流运动和复杂的金属分布，可能是由于星系并合或气体流入等过程的影响。这一发现让我们更加深入地了解了星系旋转盘在化学演化中的关键作用。   

图5：ID9960和ID4391星系的金属丰度梯度、气体速度场及内禀速度弥散。ID9960星系拥有旋转主导的盘结构，金属丰度梯度在26个样本中最为陡峭。相比之下，ID4391星系的气体运动不规则，金属丰度呈现出“过山车式”分布[5]。        

MSA-3D项目所开发的这套狭缝扫描方法极大地提升了JWST积分视场光谱（IFU）的观测效率。以超出传统的JWST IFU设备至少15倍的观测效率，天文学家们获取了针对大批量高红移星系的高空间分辨率与高光谱分辨率的三维数据立方体，揭示了金属丰度空间分布与气体动力学之间的紧密联系，指出了星系想要长期维持一个显著的负金属丰度梯度（就像我们的银河系）需要一个近似薄盘的动力学结构。这对我们精确理解星系盘的形成过程与化学-结构演化打下了坚实的基础。             

参考文献：

[1]Draine, B. T. 2011, Physics of the Interstellar and Intergalactic Medium.

[2]Venturi, G., Carniani, S., Parlanti, E., et al. 2024, arXive-prints, arXiv:2403.03977.

[3]Wang, X., Jones, T., Treu, T., et al. 2019, ApJ, 882, 94

[4]BariŠi, I., Jones, T., Mortensen, K., et al. 2024, arXive-prints, arXiv:2408.08350.

[5]Ju, M., Wang, X., Jones, T., et al. 2024, arXive-prints, arXiv:2409.01616.

[6]Sun, X., Wang, X., Ma, X., et al. 2024, arXiv e-prints, arXiv:2409.09290.

[7]Bellardini, M. A., Wetzel, A., Loebman, S. R., et al. 2021, MNRAS, 505, 4586.

作者简介

王鑫，中国科学院大学天文与空间科学学院与国家天文台双聘副教授。国家级海外引进人才。曾荣获中国科学院大学年度优秀个人 （领雁金奖），小米学者，北京大学科维理访问学者等奖励。主要从事空间望远镜数据处理算法开发，第一代恒星搜寻与宇宙再电离，星系形成与化学演化，引力透镜与暗物质空间分布等领域的天文研究。被选为詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）大师班成员，应美国航空航天局（NASA）授权负责为JWST培养观测人才。目前以首席科学家身份主持两项哈勃空间望远镜（HST）中型级别观测项目，作为核心成员参与数项珍宝级和大型JWST，HST观测项目。主持国家基金委优秀青年(海外)科学基金项目和面上项目，作为核心成员参与中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队和CSST预研究课题项目。截止于24年7月，共发表SCI论文140余篇，被引用3400余次，H-index为34。

居梦婷，中国科学院大学天文学院博士后，主要利用二维光谱研究星际介质和恒星形成历史等。