揭示宇宙中第一代星系的形成機制

中央研究院天文及天文物理研究所研究成果發表，日期：2024年3月21日

中央研究院天文及天文物理研究所（簡稱ASIAA）的陳科榮助研究員領導研究團隊，利用強大的超級電腦，進行高解析度的三維輻射流體動力學模擬，並整合最精密的初代超新星模型來研究初代星系的形成。研究成果刊登在最新一期的《天文物理學期刊》（The Astrophysical Journal），顯示初代星系的物理特性跟更早形成的初代星質量分佈有密切關係。

宇宙黎明發生在大爆炸後約2至4億年後，由初代星（註1）和初代星系的誕生揭開序幕，象徵著宇宙黑暗時代的結束。根據當今宇宙學的推算，暗物質與氣體的初始不均勻分佈會因重力隨著時間演化，形成大尺度的宇宙網結構，當暗物質結構暈（dark matter halo）達到一百萬太陽質量時，其重力能捕捉原始氣體，並從中誕生第一代恆星，簡稱初代星。隨著初代星的出現，這些恆星及其超新星爆炸所釋放的輻射與化學元素徹底改變早期宇宙的樣貌。宇宙黎明象徵著大爆炸後的第二次相變。然而，初代星系形成的機制仍然是現代天文物理學中的一個核心謎題。

當暗物質結構暈增長到一億太陽質量時，其重力龐大到可以維持內部的恆星誕生和超新星爆炸循環，達到星系具備的獨立星際物質生態圈，也意味著宇宙第一代星系（初代星系）誕生。形成這些初代星系的過程不僅受到暗物質結構演化的影響，還受到早期初代星的物質與能量的反饋。初代星與其超新星產生的複雜化學元素、游離輻射和能量釋放，都強烈影響初代星系的形成。這些複雜物理過程使得初代星系理論的進展窒礙難行。

為了推進初代星系的研究，陳科榮博士及其爆炸小組利用超級電腦進行高解析度的三維輻射流體動力學模擬，並整合最精密的初代超新星模型來研究初代星系的形成。研究結果顯示，初代星系的物理特性跟更早形成的初代星質量分佈有密切關係。由大質量初代星所產生的超新星會產生更多金屬，藉由金屬能階高效率地冷卻原始氣體，最終促使低質量二代恆星的形成。與我們銀河系宏偉的螺旋結構不同，這些初代星系呈現出無旋轉支持的不規則形狀。在它們的中心區域，可能形成幾百到幾千顆第二代恆星。初代星系的氣體金屬含量已經達百分之一的太陽金屬豐度（註2），模擬結果顯示初代星系的主要組成是二代恆星而不是初代星。

這些初代星系被視為宇宙黎明的指標天體，他們也是韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope，簡稱為JWST）和未來30米級地面望遠鏡的重要觀測目標。這個研究首次展示了從初代星死亡到初代星系出現的演化過程，幫助我們理解早期宇宙黎明背後的物理機制。

這張圖展示了初代星系的形成過程，在宇宙年齡約為兩億年左右（z~20），暗物質結構暈因重力而聚集，氣體得以凝聚形成初代星，部分的初代星最終形成超新星爆炸，其能量反饋游離周遭氣體並拋出許多金屬元素。最終在宇宙年齡約四億年時（z~10），這些物質繼續增長為質量更大的暗物質結構暈，同時吸收更多的氣體與初代超新星釋放的金屬元素。在這個新結構裡面，氣體與恆星形成可以組成一個自洽性的生態圈以符合星系的定義，我們稱之為初代星系。圖片來源：中研院天文所/陳科榮

初代超新星爆炸後1000萬年的金屬豐度分佈。超新星殘骸（橘色區域）已擴散到三千多光年範圍，將周圍原始氣體的金屬豐富從零提升至10-3 太陽金屬豐度，並對之後的恆星形成產生重大影響。背景白色條狀結構顯示當時的暗物質分佈。圖片來源：中研院天文所/陳科榮

根據電腦模擬所獲得初代星系的合成觀測圖像，這些初代星系沒有明顯的特徵結構如螺旋或橢圓型，每個星系中分散的亮區代表恆星形成的區域。圖片來源：中研院天文所/何孟遠

註1：初代星即宇宙最早誕生的第一批成恆星，其成分只包含氫跟氦。

註2：金屬在天文學裡泛指非氫或氦之類的元素，太陽內部的金屬物質佔全部質量的2%，所以太陽的金屬豐度是0.02。

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中央研究院天文及天文物理研究所助研究員陳科榮

Email: kjchen@asiaa.sinica.edu.tw Tel: (02)2366-5457

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