近日，国际天文学期刊《天体物理学报快报》（TheAstrophysical Journal Letters）和《天体物理学报》（The Astrophysical Journal）相继发表了中国科学院国家天文台相关研究团队在高红移宇宙气体与星系演化研究领域的两项成果。两项研究分别从星系周围的富金属冷气体和星系核附近的致密气体出发，揭示了早期宇宙中气体在塑造星系结构、调控黑洞成长以及推动星系—黑洞协同演化过程中的关键作用。
气体是连接宇宙大尺度结构、星系形成和黑洞增长的核心纽带。在早期宇宙中，大量冷气体沿着宇宙网流入星系，为恒星形成和星系盘的建立提供原料；与此同时，星系中心附近的致密气体又可能遮蔽并调控超大质量黑洞的吸积过程。然而，这些气体如何运动、如何与尘埃和金属元素交换、又如何影响星系与黑洞共同成长，长期以来缺乏直接观测证据。
在第一项研究(Li et al. 2026, ApJ, 1002, 9)中，团队利用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）COSMOS-3D 项目的 NIRCam 无缝光谱观测，在红移约 3 的 COSMOS 天区发现两个宽线 X 射线活动星系核 cid_414 和 cid_947。它们均表现出显著的 He I λ10830 与 Paγ 发射和吸收特征，显示其星系核附近存在高密度气体；同时，两者均被 JWST/MIRI 中红外波段探测到，表明其周围存在热尘埃辐射。进一步分析显示，这两个活动星系核可能代表了黑洞成长的不同阶段。其中，cid_414 具有类似“小红点”（Little Red Dots, LRDs）的 V 形光谱能量分布；cid_947 则显示更高的 He I 吸收柱密度以及速度超过 5000 公里每秒的显著蓝移吸收特征，指示其可能存在由黑洞活动驱动的高速外流。光致电离模型表明，致密吸收气体的可能位于核区的不同位置。
图1：JWST COSMOS-3D 无缝光谱揭示 z≈3 活动星系核 cid_414 和 cid_947 中显著的 He I 与 Paγ 发射/吸收特征，表明黑洞附近存在致密近核气体。
研究团队认为，致密近核气体很可能是高红移活动星系核包括LRD中普遍存在，并在黑洞增长的不同阶段发挥重要调控作用。该研究为理解 JWST 发现的大量“小红点”天体、早期类星体前身以及高红移黑洞增长路径提供了新的观测线索。
第二项研究(Zou et al. 2025, ApJL, 994, L53)则将视角从星系中心扩展到星系周介质。研究团队利用甚大望远镜 MUSE、JWST/NIRCam、阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列（ALMA）以及哈勃空间望远镜等多台国际大型观测设备，研究了两个由超强 Mg II 吸收系统示踪的扰动冷气体结构。这类吸收系统通常代表大量低温、富含金属的气体，是追踪早期宇宙星系形成环境的重要示踪体。
图2：多波段观测显示强 Mg II 吸收系统附近存在大尺度扰动冷气体结构及富尘埃盘星系，表明星系周气体在早期宇宙盘结构形成、和金属/尘埃循环中发挥重要作用。
在类星体 J1306+0356 附近，团队发现一对红移约 4.87、速度间隔约 1000 公里每秒的强 Mg II 吸收系统，并识别出两个与其相关的 Lyα 发射星系。该系统在金属丰度、尘埃含量和电离状态上表现出明显差异，暗示在这一超大尺度冷气体结构内部可能发生了金属和尘埃的转移。在另一条指向类星体 J0305–3150 的视线方向上，团队在红移 2.5652 的强 Mg II 吸收体附近探测到一个恒星形成率约为每年 121 个太阳质量的富尘埃的恒星形成星系，并很可能拥有旋转星系盘。结果表明，高红移多相气体并不是静止地“漂浮”在星系周围，而是处在复杂的动力学环境中，显著影响着沿宇宙网向星系输送物、早期盘结构的形成以及金属和尘埃的再分布过程。
两项研究从不同尺度描绘了早期宇宙星系生态系统的图景：在星系周介质中，冷气体为星系形成提供原料，并参与金属和尘埃循环；在星系中心近核区区域，致密气体则调控黑洞吸积、遮蔽和反馈过程。随着 JWST、ALMA、VLT/MUSE 等设施持续积累高质量数据，天文学家有望进一步建立从宇宙网、星系周介质、星系盘到活动星系核的完整物质循环图像。
此系列研究由中国科学院国家天文台牵头完成，并得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院以及中智国际合作项目等支持。论文一第一作者为国家天文台博士生李子建，通讯作者为国家天文台中智中心邹思蔚研究员。中智中心黄家声研究员、戴昱研究员以及程诚副研究员共同参与了该项研究。论文二第一作者和通讯作者为邹思蔚研究员。合作单位包括中国科学院大学、北京大学、清华大学、美国亚利桑那大学、密歇根大学、麻省理工学院、欧洲南方天文台、巴黎天体物理研究所、东京大学等。
论文链接
1. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ae587b/pdf
2. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae1234/pdf
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