恒星星团是在巨分子云中经由引力塌缩形成的。分子云是星系中大量冰冷而稠密的气体。这些分子云在银河系和邻近星系中的物理特性早已为人所知。那么，在距离超过80亿光年之遥的星系中，分子云是否和近邻星系相同？
人们早先认为巨分子云可能在所有星系中都具有相似的性质，但一项新的研究结果却挑战了这一结论。一个国际团队首次在名为宇宙蛇的遥远星系中观察到了巨分子云，并通过分析获得这些巨分子云相关的一些物理性质，发现它们的物理性质和近邻星系的巨分子云大不相同。日前，这项研究发表在《自然·天文》杂志。
发现完全不同的巨分子云
宇宙蛇星系距离我们超过80亿光年，诞生时的宇宙年龄只有现在的三分之一，被认为是银河系这类大星系的前身星系。天文学家以90光年的空前分辨率探测到了其中许多单个的巨分子云。
“以前我们只能在距离很近的星系中观测到类似尺度的巨分子云。”中科院国家天文台星际介质及恒星形成团组研究员吴京文接受科技日报记者采访时表示，“这项研究结果的重要意义在于，该国际团队运用阿塔卡玛亚大毫米/亚毫米波射电望远镜阵列（ALMA）和引力透镜效应，首次探测并分辨出了非常遥远星系中的巨分子云。”
在此基础上，该团队计算出了宇宙蛇中巨分子云的相关物理性质。研究发现，遥远星系中巨分子云的质量、密度和内部湍流比邻近星系中的高10至100倍。此外，遥远星系产生恒星的数量更多、效率更高，和距离我们7500光年以外的船底星云一样，宇宙蛇星系中的这些巨分子云可以说是“恒星孵化场”。
“尽管遥远星系与邻近星系的巨分子云存在较大差异，这项研究的结果仍然在我们的理解范围之内。”吴京文表示，实际上，邻近的相互作用星系和星爆星系也会产生类似现象。
但是这项研究指出这次观测的目标并非是熟知的相互作用星系或星爆星系，而是处于正常恒星形成状态的盘星系。这一结果指出，早期宇宙的正常星系中的巨分子云可能会与我们在近邻宇宙看到的很不一样，反而更接近于近邻星系中的相互作用星系或星爆星系。吴京文解释道，相互作用星系是指被彼此引力捕捉的星系。通常，星系会在相互作用中造成星系合并，触发气体压缩和爆发性的恒星形成，观测上表现为星爆星系。目前已经有理论提出分子云的形成和其中的恒星形成在宇宙中并不是一成不变的，而是会受到所在环境的强烈影响。这个最新的观测结果是对这种理论的重大支持。
看清遥远“房子”的砖块
这一研究的突破点在于团队所使用的观测手段。正如前面提到的，研究团队使用了引力透镜效应和ALMA对宇宙蛇进行观测。
引力透镜被称为自然望远镜。由于光线在大质量天体附近会发生弯曲，观察者可以看见在空间上被大质量天体所遮挡的光线，就像有一面透镜放在观测者和天体之间一样。“有了这种效果，遥远星系的某些部分就会在天空中伸展开来，使得我们能在前所未有的分辨率下对遥远星系进行研究。”论文第一作者米洛斯拉瓦·德桑格斯说。
“而ALMA是亚毫米波段望远镜中的巨无霸，可用于观测非常遥远的星系中的分子云、尘埃、一氧化碳等。”吴京文说，研究团队通过巨大望远镜阵列获得了相当高的观测能力，因而看得更远更深。
如果把遥远星系比作一个房子，以前只能远远看到整个房子。运用引力透镜和ALMA后，就能分辨出建筑中的砖块——巨分子云。
那么，研究团队是如何知道这栋距离我们十分遥远的房子有哪些性质的呢？
“关键在于ALMA能观测到星系中的一氧化碳，而一氧化碳是整个星系分子气体的示踪物。”吴京文解释道，在星系中，氢分子和一氧化碳是均匀混合的，经验上以一定的比例并存。因此，通过观测到某个星系中一氧化碳的分布范围，谱线轮廓和辐射强度，就能估算出该星系所对应的一些物理性质。
不过，关于这项研究，还有很多未解之谜。
“分子云中冰冷而致密的分子云核才是大规模恒星的真正场所，这些分子云核需要用辐射低得多的致密气体探针——一些特殊的分子气体——来探测才行。这些巨分子云中恒星形成效率这么高，很可能是因为其中的致密气体含量受到外部环境影响，变得非常高。但现在的观测条件还不足以观测并分辨出遥远星系中的致密气体发射。”吴京文说，在这样高的内部湍流环境中恒星如何形成？大质量恒星形成如何受到周围环境的影响？这些问题的答案需要进一步研究才能揭晓。
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