一個類似於我們銀河系的巨大星系在宇宙歷史的早期被令人震驚地發現，這正在挑戰天體物理學家對星系形成的理解。這個氣體和恆星的旋轉盤狀結構在宇宙大爆炸後僅 15 億年就被觀測到，當時宇宙約為其當前年齡的 10%，是迄今為止發現的最早的同類型星系。它為一些最早的星系以冷啟動方式形成提供了強有力的證據。
在標準形成模型中，星系是隨著氣體在彌散的暗物質“暈”中及其周圍聚集而合併形成的。所有這些氣體在漏斗狀進入新生星系的中心時變得極其熾熱，並且必須經過一段時間冷卻才能開始形成恆星。相比之下，最近的模擬表明，沿著暗物質長絲流入年輕星系的氣體可以保持相對涼爽，從而使恆星形成能夠更快地開始。這些“冷啟動”星系應該形成類似於銀河系的螺旋狀盤狀結構。
到目前為止，觀測者設法識別出的大多數早期星系都是不規則的團狀物，沒有盤狀結構，它們的形狀因與原星系的反覆碰撞而扭曲，並且它們的氣體被加熱。天文學家確實在宇宙歷史的最初幾十億年中發現了一些盤狀星系。但一些研究人員認為，這些天體的年齡已經足夠古老，它們的氣體已經冷卻下來，這使得它們的起源變得不確定。
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然而，這個特殊的盤狀星系駁斥了此類異議。“我們發現了一個含有大量冷氣體的星系，”德國海德堡馬克斯·普朗克天文研究所的天文學家、報告觀測結果的研究報告的第一作者馬塞爾·尼勒曼說。該研究報告發表在 5 月 21 日的《自然》雜誌上。“如果它是透過熱模式吸積形成的，它就不會在那裡。”
加州大學聖地亞哥分校研究星系演化的天文學家科勒爾·惠勒對此表示贊同。該星系提供了“冷模式吸積的非常強有力的證據”，她說。（惠勒沒有參與該論文。）
尼勒曼和他的同事聲稱，新發現意味著第一代星系中的大多數是透過冷模式吸積或與其他年輕星系的碰撞形成的。
搜尋陰影
長期以來，研究人員一直在爭論湧入最早星系的氣體是熱的還是冷的。模擬結果傾向於冷氣體，但懷疑論者對這些虛擬結論的有效性提出了質疑。他們這樣做是有充分理由的：必然地，這些模型簡化了星系的許多最突出的環境效應，例如超新星和黑洞的反饋過程，這些過程可能會加熱原本涼爽的氣體。
富蘭克林與馬歇爾學院的天體物理學家瑞恩·特雷納說：“關於這個問題，過去幾十年一直存在爭議，他沒有參與《自然》雜誌的研究。尋找早期星系的挑戰之一是需要足夠大和足夠亮的目標，以便在巨大的宇宙距離中被看到。因此，最明亮的天體是最有可能被觀測到的天體。為了克服這種偏差，尼勒曼和他的同事決定利用已故天文學家亞瑟·沃爾夫開創的方法。他們使用位於智利的阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米波陣列 (ALMA)，在類星體的前方搜尋星系，類星體是宇宙中最亮的天體。當來自類星體的光穿過前景星系時，來自該星系的氣體會吸收部分光，從而形成尼勒曼所說的“陰影”。
透過使用 ALMA 研究陰影或吸收線，天文學家可以追蹤他們在 2017 年發現的星系 DLA0817g 的暗淡氣體的旋轉運動。他們以團隊成員的前顧問和同事的名字將其暱稱為“沃爾夫盤”。哈勃太空望遠鏡的後續觀測揭示了該星系的一些最亮恆星，科學家們用這些恆星估計沃爾夫盤平均每年產生 16 個太陽大小的恆星。哈勃的仔細觀察還顯示，阻擋類星體的氣體不是來自 DLA0817g 的中心，而是來自星系的外邊緣，這是一個氣體應該變薄而不是變厚的區域。研究人員懷疑他們所看到的是將氣體漏斗狀注入沃爾夫盤的暗物質絲之一。
團隊成員兼研究報告的共同作者、加州大學聖克魯茲分校的天文學家 J. 哈維爾·普羅查斯卡說：“我們無法證明它是一條絲狀物，但它遠遠超出了星系的恆星形成區域。”
透過使用類星體，該團隊希望克服先前研究面臨的觀測偏差。在某種程度上，他們成功了。“你最終可能會得到對星系群體的更公平的抽樣，”西澳大利亞大學的天文學家阿爾弗雷德·泰利說。泰利沒有參與這項研究，他在《自然》雜誌上撰寫了關於此研究的配套評論。
並非所有人都信服。特雷納認為尼勒曼及其同事的新方法避免了亮度的偏差，但可能帶有其自身的偏見。“他們的技術偏向於尋找穩定的旋轉盤，”他說。由冷星系建立的擴充套件盤比更緊湊的星系更有可能遮蔽類星體。“這就像向飛鏢靶投擲飛鏢，”特雷納說。“更大的飛鏢靶更有可能被擊中。”他稱讚這項技術為“一種非常有用且互補的工具”，但這並沒有削弱這項技術。
雖然普羅查斯卡同意較大的星系更有可能阻擋類星體，但他認為沃爾夫盤在背景類星體前方的擴充套件氣體不一定與星系的結構有關。圍繞類星體阻擋物體的氣體的大分佈可能來自星系周圍的球狀氣體殼，也可能來自漏斗狀注入氣體的擴充套件絲狀物。
特雷納還質疑像沃爾夫盤這樣的星系在早期宇宙中可能有多普遍。他不相信僅僅一個星系就足以證明冷吸積在早期星系形成中占主導地位。但新的星系可能很快就會被發現。尼勒曼的團隊計劃繼續使用 ALMA 研究類星體陰影星系，以期找到更多星系。
普羅查斯卡在談到冷模式吸積時說：“現在很清楚，在非常早期的某些情況下，你可以做到這一點。我們都有點驚訝。”