科学剃刀

探索宇宙奥秘 · 理性思考

宇宙诞生才14亿年，就已经出现了"早熟"的巨婴。按照标准模型，这时候的宇宙应该只有蹒跚学步的小型星系，但现实中，天文学家却发现了大量早已"成年"的巨大椭圆星系。它们形如橄榄球，恒星衰老，几乎没有气体储备，与理论预期完全不符。这个困扰学界20年的谜题，如今终于迎来了关键线索。 一支国际团队利用阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA），拍摄到了这些巨兽在婴儿期的"成长快照"。画面显示，它们并非慢慢拼凑而成，而是在一场惊天动地的集体坍缩中迅速诞生。

早期宇宙出现了"超龄"星系

自2000年代中期以来，天文学家就不断在高红移宇宙（即早期宇宙）发现与年龄不符的怪物。这些星系质量巨大，形态椭圆，恒星群体年迈，冷气体储备枯竭。按照主流的等级式结构形成理论，大星系应该通过引力逐步吞并小星系，像滚雪球一样慢慢长大，耗时百亿年。

然而观测事实一再打脸。在宇宙年龄仅相当于现在10%的时期（约140亿年中的14亿年），就已经存在着完全成熟的巨型星系。这意味着它们的形成机制可能完全不同于传统认知。正如马克斯·普朗克射电天文研究所的尼古劳斯·苏尔茨瑙尔所言，某些巨型椭圆星系的形成方式"必须和以前设想完全不同"。

ALMA捕捉到剧烈碰撞现场

研究团队的突破口是一个名为SPT2349-56的原星系团。它位于凤凰座方向，距离我们约124亿光年（红移z=4.3），让我们得以窥见宇宙大爆炸后14亿年的景象。这个系统此前保持着"最猛烈恒星工厂"的纪录，而新观测揭示了更加惊心动魄的细节。

图释：原星系团SPT2349-56的艺术家图展示了不同形状和大小的相互作用星系，以及被潮汐力撕裂并加热的橙色气体。图片来源：N.苏尔泽瑙尔，MPIfR

ALMA望远镜在亚毫米波段捕捉到了四颗紧密纠缠的星系。它们正在以极其疯狂的效率制造恒星：平均每40分钟就诞生一颗。作为对比，我们所在的银河系目前每年只能产出3到4颗恒星。这四颗星系以每秒300公里的速度相互撕扯，抛射出巨大的潮汐臂，跨度远超银河系。 这些气体流在冲击波作用下被加热，电离碳原子（CII）在158微米波段发出强烈辐射，亮度被放大了十倍，如同一串发光的珍珠项链环绕着核心。

更令人震惊的是，外围还有20个星系正沿着潮汐碎片形成的链条碰撞而来。这是一个 cascading（级联）并合事件。研究团队通过数值模拟确认，这个核心区域的40个富气体星系将在不到3亿年的时间内毁灭并融合，最终形成一个巨型椭圆星系。用苏尔茨瑙尔的话说，这"不过是太阳绕银河系中心转一圈的时间"。

"速成"模式颠覆传统认知

这一发现挑战了星系形成的经典图景。传统观念认为，大星系是层级组装的产物：先形成小暗物质晕，再吸引气体形成小星系，最后通过漫长合并形成大星系。但SPT2349-56展示的是另一条路径——单体快速坍缩。

在宇宙早期，某些密度极高的原初结构率先从宇宙膨胀中解耦，在引力作用下迅速坍缩。大量气体在极短时间内压缩，点燃剧烈的恒星形成爆发，同时触发大规模并合。这不再是"细嚼慢咽"的成长，而是一场"狼吞虎咽"的盛宴。短短3亿年，就足以完成从气体云到巨椭圆星系的蜕变。

这种机制也解释了重元素（如碳）在早期星系团中的输运方式。剧烈的并合冲击波将富金属气体抛洒到广阔空间，为后续星系形成提供了化学种子。

图释：这张原团簇SPT2349-56的射电图像显示了发射波长158微米的电离碳（CII）强度。星形符号标记星系中心，橙色轮廓突出环绕内层区域的潮臂。图片来源：N.苏尔泽瑙尔，MPIfR

中国天文学家加入早期宇宙考古

在这项国际合作中，中国天文学家并非旁观者。ALMA作为国际大科学装置，中国以其特有的方式深度参与——国家天文台、上海天文台等机构的学者长期利用ALMA开展高红移星系观测，在亚毫米波星系、原星系团搜寻等领域积累深厚。

与此同时，中国自有的大科学装置正在开辟新的战场。500米口径球面射电望远镜（FAST）虽然主要工作在中性氢波段，但其对早期宇宙中性氢分布的探测，为理解原星系团形成的初始条件提供了独特视角。中国科学院国家天文台团队利用FAST探测到了迄今最远的中性氢星系群，为研究宇宙早期大尺度结构提供了关键数据。

在理论研究方面，国内学者在星系并合数值模拟、恒星形成反馈机制等领域持续发声。随着中国在毫米波/亚毫米波观测能力（如西藏羊八井大气切伦科夫望远镜阵列等）的提升，未来在追踪此类"星系工厂"的化学演化方面，中国团队有望贡献更多原始数据。

结语

SPT2349-56如同一座宇宙时钟，将星系形成的"快进"模式定格在我们眼前。它告诉我们，宇宙的复杂性远超简单的层级模型。当然，谜题并未完全解开：并合激波与超大质量黑洞生长的相互作用如何影响恒星形成燃料？这种快速组装模式在宇宙早期有多普遍？ 这些"巨婴"的成长经历，仍需更多像ALMA这样的"宇宙摄像机"来记录。

参考文献

Sulzenauer, N., et al. (2026). Bright [C II]158 μm Streamers as a Beacon for Giant Galaxy Formation in SPT2349-56 at z = 4.3. The Astrophysical Journal. DOI: 10.3847/1538-4357/ae2ff0

Max Planck Institute for Radio Astronomy. (2026, February 10). How giant galaxies could form just 1.4 billion years after the Big Bang. Phys.org.