极端贫金属星系：探索早期宇宙恒星形成

□ 南京大学 施 勇

极端贫金属星系：探索早期宇宙恒星形成

□ 南京大学 施 勇

图1 本图是由艺术家绘制的赫歇尔红外空间望远镜在轨道上工作的景象。

在130亿年前的早期宇宙,气体由氢和氦两种元素组成，没有或只含有少量的更重元素（天文上统称为金属元素）。最新的天文观测表明，这类气体无法有效地形成恒星。

由南京大学青年千人计划入选者施勇教授所领导的国际团队，利用欧洲航空航天局的赫歇尔红外空间望远镜，对两个低金属元素含量的星系展开了多波段的红外观测。基于此数据的分析揭示了这些星系中从气体形成恒星的效率比类银河系星系中的效率低至少10倍。该结果显示了130亿年前宇宙原初气体可能无法有效地形成新恒星。此结果（Inefficient star formation in extremely metal poor galaxies）于2014年10月16日在线发表于英国《自然》期刊（请见http://www.nature.com/nature/ journal/v514/n7522/full/nature13820.html）。

宇宙大爆炸之后的气体，随着宇宙膨胀而渐渐冷却，在大约130亿年前，开始坍缩形成宇宙第一代和第二代恒星。这些恒星内部剧烈的核聚变反应把氢和氦合成产生更重的元素，如碳和氧等。部分重元素通过恒星风和超新星爆发返回到气体中，使得气体中重元素的含量逐渐增加。在邻近宇宙中（包括我们的银河系），发生在富含金属元素气体中的恒星形成是新恒星诞生的主要途径。各种理论模型预测气体中的金属含量是影响恒星形成的关键。在缺乏金属元素以及由这些金属元素组成的分子和尘埃颗粒的情况下，模型预测恒星形成的效率会降低，即单位质量气体在单位时间内只有一部分能转化成恒星，然而这些理论预测一直缺乏有效的天文观测来证实。

图3 ESO 146-G14

星系Sextans A（图2）和ESO 146-G14（图3）是两个邻近的恒星形成星系，它们的氧丰度只有太阳丰度的7%和9%，是邻近宇宙里为数不多的几个具有如此低金属丰度的星系。

研究团队利用欧洲航空航天局的赫歇尔红外空间望远镜获得了两个星系空间分解的红外图像，并基于这些红外图像计算出了两个星系中七个恒星形成区域所包含的气体质量。结合恒星形成率的测量，研究团队发现这些恒星形成区域单位质量气体在单位时间内能形成的新恒星质量远低于类银河系星系所观测到的值（如图4所示）。

尽管理论模型预测了当金属含量减少，恒星形成效率会降低。然而研究团体进一步指出，理论模型所依赖的物理机制跟观测结果给出的是截然相反的。理论模型解释在低金属丰度下，氢原子无法高效结合形成氢分子，后者被认为是恒星形成的原材料，从而导致了低金属丰度下低效率的恒星形成。然而研究团队指出即使在这样的低金属丰度下，氢分子仍旧是大量存在的，是氢分子气体，而不是原子气体，无法有效地形成新恒星。

图4 恒星形成率（单位时间内形成的恒星质量）对气体柱密度的二维图。橘黄色和白色区域是类银河系在图上的分布，七个绿色的球代表论文中两个星系七个恒星形成区在该图的分布。最右边的双向箭头长度代表了恒星形成率10倍的变化（图：施勇）。

Q 是否还有其他同类型的研究？

A 以前的观测研究针对的是金属丰度大于太阳丰度五分之一的星系，而对于金属丰度低于太阳丰度十分之一的星系，已有的观测具有极大的误差。

Q 该项研究的难点主要在哪？

A 难点在于较为精确地测量恒星形成区域气体质量。

传统的方法是测量一氧化碳气体的质量，再把这个质量转化为总气体质量。这种方法不能应用到金属丰度低于十分之一的星系，因为贫金属星系的一氧化碳很难测量，目前还没有在这样低金属丰度星系里测到一氧化碳；另外一方面，即使测量到一氧化碳，已有的研究显示在贫金属丰度下，一氧化碳到气体质量的转化因子非常不确定。

另外一种方法是用尘埃质量来示踪总气体质量，然而以前的工作缺乏足够的空间分辨率，使得尘埃质量到气体质量的转化因子（简称气尘比）难以精确测定。我们的工作是利用赫歇尔红外空间望远镜得到空间分解的红外图像来获得空间分解的尘埃质量图像。有了这样的图像，我们就能利用没有恒星形成区域的原子气体（通过21cm发射来精确测量）和尘埃质量的比值来测定该星系的气尘比。然后把这个气尘比，结合尘埃质量的测量，较为精确地给出恒星形成区的总气体质量。

Q 这个结论可能会对哪些已有的模型和理论带来影响？

A 这会对贫金属气体下的恒星形成理论，以及早期宇宙星系形成和演化理论带来不同程度的影响。

Q您今后是否还会对此继续进行深入研究？这个结论是否还有变化的可能？

A 是否还会变化，我们目前很难判断，如果以后的大望远镜允许其他方法测量气体质量，如测量一氧化碳，而不是尘埃质量，可能会给出不同的结果。但是这种不同的结果并不意味着今天的结果是错的，而是表明在贫金属丰度下，还有我们不知道的其他物理机制在起作用。

我们正在做好几个后续的研究，包括测量一氧化碳，测量中红外波段的热分子气体等等。总的来讲，我们希望通过这些后续的研究来理解贫金属丰度下气体的物理性质。

注：本论文的作者包括南京大学施勇教授（通讯作者），美国加州理工学院的Lee Armus研究员和George Helou教授，美国弗吉尼亚大学Sabrina Stierwalt博士，中国科学院紫金山天文台高煜研究员，中国科学院上海天文台王均智研究员，英国爱丁堡大学张智昱博士和南京大学顾秋生教授。本工作获得国家自然科学基金，中国科学院先导b项目和南京大学985项目的支持。