巨大的自旋星系往回走高达120亿年

像银河系一样的大的、大质量的旋转星系今天很常见。如此怎么能在大爆炸后仅20亿年形成一个呢？

STARTS WITH A BANG — MARCH 31, 2025

Ethan Siegel

这个著名的叫大轮的星系目前位于220亿光年外，直径跨越约100000光年：在这些早期宇宙纪元已知的最大的盘星系。大轮右上角的更小星系位于同一个星系团/原星系团内。Credit: NASA/ESA

关键要点

今天，宇宙中充满大的、大质量的、演化的、旋转的盘星系，实际上所有这些星系都被暗物质统治：它们的旋转轮廓需要额外的、看不见的质量存在来解释它们。

天文学家有的一个大问题是是否这些数十亿年前存在的星系的早期版本会相似现代的星系，还是星系的演变导致了急剧的差异。

随我们的第一个可比较的大质量星系在如此早期被发现，因为“大轮”星系来自于大爆炸后仅200万年，我们正在找到一些令人兴奋的也许是意想不到的宇宙的答案。

一个困惑天文学家的巨大问题是 “宇宙是如何成长起来的？”

在热大爆炸的开始，宇宙正迅速的扩张并充满了高能、非常密集的、超相对论性的量子。一个辐射统治的早期阶段让位于几个后来的阶段，在这些阶段辐射处于次主导地位，但从未完全消失掉，而随着时间物质然后聚集成气体云、恒星、星团、星系和甚至更丰富的结构，同时宇宙继续扩张。在遗迹辐射已经消失掉后但在恒星已经点燃之前的时间标志着宇宙黑暗时代。Credit: CfA/M. Weiss

. 今天，我们宇宙中的大多数恒星都被发现在大型螺旋星系和椭圆星系内

来自欧空局的欧几里得使命英仙座星系团的观望显示超过1000个星系都一起聚集在大约2.4亿光年外，在图像的背景部分中有数万个可以识别的。虽然光学上，这幅图像被最大质量、恒星最丰富的星系统治，但它们的数量远远超过甚至在附近非常难以探测的更小、更暗、更低质量的星系。欧几里得的能力对映射出黑暗宇宙是一个关键工具。Credit: ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA, image processing by J.-C. Cuillandre (CEA Paris-Saclay), G. Anselmi, CC BY-SA 3.0 IGO

含有气体、圆盘和新形成的恒星的螺旋展示一种令人着迷的整体旋转。

一个仅被正常物质规制的星系（左图）会在外围展示比朝向中心远更低的旋转速度，类似于太阳系中行星如何移动。然而，观测表明旋转速度大体上与星系中心的半径（右）无关，导致一个大量不可见或暗的或暗的物质一定存在的推断。这些类型的观测在帮助天文学家理解宇宙中暗物质的必要性是革命性的，以及也解释位于一个星系旋臂内的物质的形状和行为。Credit: Ingo Berg/Wikimedia Commons; Acknowledgement: E. Siegel

靠近星系外周的大恒星速度提示围绕它一个巨大的暗物质晕。

三角摆星系M33的扩展旋转曲线。这些螺旋星系的旋转曲线预示了现代天体物理学中暗物质对一般场的概念。虚线曲线会对应一个没有暗物质的星系，它代表不到1%的星系。维拉·鲁宾在整个20世纪70年代的工作在证明星系实际上普遍需要对这种意想不到但强健观察到的行为一个解释是本质的。Credit: Mario de Leo/Wikimedia Commons

与此同时，稠密的星系团占有最多椭圆形的，只有少数螺旋形。

宇宙中大多数已知的最大的星系都被在大质量星系团的中心发现，就像这里所示的大力神星系团一样。随着时间这些星系团内的星系碰撞和合并，导致新恒星形成的爆发，但总体使这些星系更贫气体。在足够的时间已经经过后，这样一个星系团内的大多数星系将变成巨大的椭圆星系而不是包含圆盘的螺旋。Credit: ESO/INAF-VST/OmegaCAM. Acknowledgement: OmegaCen/Astro-WISE/Kapteyn Institute

最终，主要的合并将“耗尽”并驱逐星系气体。

位于英仙座星系团核心的星系NGC 1275的观望，是已知的最近的现代巨型椭圆星系之一，位于距离我们仅2.3亿光年远。虽然星系的中心是贫气体的，但围绕它的星系周围的介质仍然拥有气体。这里用哈勃图像突出显示，红色细丝是由被一个磁场悬浮的冷气体组成，内部有约50000000+K热气体。Credit: NASA, ESA, and the Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration

然而，关于这些星系如何形成、演变和成长起来仍许多问题

诞生有一个典型或“正常”过密的区域将在它们中长有丰富结构，而过疏 “空无”区域将有更少的结构。然而，早期的小尺度结构主要被密度中最高的峰值区域（这里标记为“罕见峰值”）统治，这些区域生长最大、最快，仅在最高分辨率的仿真中详细可见。Credit: J. McCaffrey et al., Open Journal of Astrophysics (submitted), 2023

是最初最大质量的过密区域导致大的旋转螺旋。

这个动画显示欧洲南方天文台 VISTA数据（橙色）和阿塔卡玛数据（蓝色、白色和红色）之间的过渡，后者显示VISTA清楚显示的是一个盘星系的速度剖面。这使这里成像的REBELS-25星系成为从来发现的最早、最年轻的旋转盘星系：仅在大爆炸后7亿年。Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/L. Rowland et al./ESO/J. Dunlop et al. Ack.: CASU, CALET; Animation: E. Siegel

用詹姆斯韦伯太空望远镜的前所未有力量，我们刚刚已经发现了从来最年轻的超级银河系。

这里显示的炸起来的星系是随詹姆斯韦伯太空望远镜观测到右边类星体的场时偶然捕捉到的，它是在宇宙历史前20亿年内观测到的最大的盘星系。它位于z=3.25的红移处，当时宇宙为19.5亿岁老，跨度为10万光年，包含现代银河系的6倍多恒星质量。Credit: W. Wang et al., Nature Astronomy, 2025

位置在红移z=3.25，这个“大轮”星系有一个约4000亿个太阳的恒星质量。

与现在的银河系相媲美的星系是众多的，但银河系一样的年轻星系内在的比我们今天看到的星系更小、更蓝、气体含量更丰富。随我们看回时间中更远，有盘和螺旋状的星系越来越少，但一些拥有它们的星系仍然被发现在早期。随着时间，星系一起合并并吸积物质：以它们的典型质量生长，但在总体数量上减少。Credit: NASA, ESA, P. van Dokkum (Yale U.), S. Patel (Leiden U.), and the 3-D-HST Team

这个是六倍多银河系恒星质量的，但几乎120亿年前。

虽然在大轮星系内部的各种特征中发现了局部的不规则运动，但总的来说它被观测到以与银河系中的恒星相似的速度旋转：大约200 km/s。大体积整体旋转与大量暗物质的存在是一致的。Credit: W. Wang et al., Nature Astronomy, 2025

它像现代螺旋一样旋转：暗物质的指示。

这个超级计算机仿真显示在数亿年的从气体和尘埃演化后一个旋转盘的浮现；仿真还包括恒星和暗物质，这里没有显示。如果暗物质是可见的，它将使一个巨大的晕半径比这里显示的整个图像远更大。Credit: R. Crain (LJMU) and J. Geach (U. Herts)

它完美的遵循塔利-费雪关系。

与其他在如此早期观察到的圆盘星系相比（左上角），大轮星系是比其他这样的星系更大质量、更大。然而，这个星系尽管它的尺寸，仍然与已知的恒星形成率（左下）和旋转速度和恒星质量（右下）之间的关系一致，与之前为这类星系建立的关系一致。Credit: W. Wang et al., Nature Astronomy, 2025

这个盘本身在这样的早期时期是巨大的：跨越约100000光年。

虽然在这个早期发现的大多数盘星系有一个仅大约10000光年的半光半径，但大轮的半光半径是这个数字的三倍多，整个星系直径跨度为约10万光年。它的特征被詹姆斯韦伯太空望远镜突出的揭示，在哈勃的更短波长灵敏度下只能看到一小部分特征。Credit: W. Wang et al., Nature Astronomy, 2025

测量超过这些边缘的可以测试暗物质的预测。

今天的暗物质模型（顶部曲线）不能与老星系的精确旋转曲线相匹配，就像（黑色曲线）没有暗物质模型做的一样。然而，也有允许暗物质的分布随时间的变化而演化（洋红色、蓝色和青色的虚线）的模型，而且它们确实匹配观测。对甚至更遥远的星系的进行精确测量的能力比如大轮，可以测试在大质量星系/星系团环境中暗物质的演化模型。Credit: P. Lang et al., Astrophysical Journal, 2017

到今天，这个富含气体的古代前身将已经演变成一个巨大的椭圆。

这个观望展示Abell 2029星系团内的IC 1101星系：现代宇宙中已知的最大的巨大椭圆星系。图中可见的大多数其他星系都与银河系是可比较的（或大于），但它们在这个进化的现代庞然大物旁边出现看微小的。在许多重大的合并后，大多数现代星系团的中心到处都散布有无气体的巨大椭圆星系。Credit: Pan-STARRS

大多寂寞的星期一用图像、视觉和不超过200个字告诉一个天文故事。

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