新研究结果暗示，我们所在的银河系可能并非从早年的一个单一的大星系演化而来，而是由一大堆各式各样的小星系拼装而成。
天文学家使用超级计算机对银河系混沌远古期可能的样子和状态进行了模拟。图中紫色的是炽热气体，白色的是恒星产生的紫外线，黄色是发光的炽热氧原子。Harley Katz / MEGATRON Collaboration
新研究结果暗示，我们所在的银河系可能并非从早年的一个单一的大星系演化而来，而是由一大堆各式各样的小星系拼装而成。这些小星系有些正在大量孕育新的恒星，有些只有气体，而有些布满了死星和黑洞。
以芝加哥大学Harley Katz为首的一批天文学家近日声称，他们在超级计算机上进行了为时三年的模拟，对这些早年小星系如何在几十亿年时间里缓慢融合成银河系今天螺旋状盘面的细节进行了研究。
研究结果以六篇论文的形式，发表在《天体物理学开放期刊（The Open Journal of Astrophysics）》上，为人们了解早期星系构成和元素合成的机制提供了新见解。
模拟整合了所有相关的物理学因素，包括引力、流体动力学、辐射和化学等，以及韦布望远镜提供的最新数据。
研究人员称，他们追踪了成千上万个天体系统，并通过计算呈现出它们在今天最强大望远镜中可能的样子。由此我们看到了宇宙“生态系统”无与伦比的“多样性”——有些地方，恒星正在爆发式形成；有些地方，恒星已经大量死去；而有些地方，恒星仍在垂死挣扎。
研究人员发现，模拟结果中出现了一种不包含任何恒星，却依然能够发光的“无星星系”。这些星系中有一部分可能曾经拥有过恒星，但最终爆发消亡了，或直接坍缩成了黑洞；有一部分则可能一直只有气体，从未出现过恒星。
研究人员还发现，模拟中一些极其昏暗的星系拥有相当恒定的、与星系质量无关的含铁量。这一发现解决了天体物理学中的一个谜——长期以来人们发现，星系越为昏暗，含铁量就越低；但一些极暗的星系却不遵守这一规律，且一直无法通过模拟重现这一现象。而这一次人们解开了这个谜。
模拟结果表明，这种现象与一种特殊恒星的爆发有关。这种恒星就是所谓的“第三族恒星”。它们是从宇宙大爆炸后不久遗留下来的，极为古老，且仅包含宇宙最初的元素——氢和氦。这些恒星爆发时，能够产生比其他超新星更多的铁。如果星系较大，其引力就能留住这些铁；而如果星系太小，铁就会散失在外部太空中。
事实上，时至今日，人们还从来没有直接观测到“第三族恒星”。新研究则对这类恒星在与银河系相似的星系中可能的分布特点，以及幸存者——如果还有的话——所在的区域进行了预测。
研究人员表示，该模拟的一大独特之处在于，它是首次将宇宙大爆炸后单一恒星对单一元素的增丰过程，与引力、化学、辐射和恒星演化过程的模型相结合。
换而言之就是，以往的模拟通常会或多或少地假设某个天体系统的化学状态是平衡的。而这显然不符合处于持续演化过程中的实际情况。引入失衡因素后，研究人员发现它对天体物理学过程，尤其是对“环星系介质”的演化产生了实质性影响。
新模拟增加的复杂性使得研究人员能够更加准确地解读观测数据，并缩小许多谜题答案的可能范围。
研究人员称，宇宙大爆炸后不久发生的那些事，显然对我们今天周边宇宙有着直接影响。
我们银河系120亿年前可能的样子。虽然还很年轻，但它已经有了旋涡状盘面，并拥有大量重元素和尘埃。南北侧的光带是它与两个星系碰撞后留下的遗迹。Harley Katz / MEGATRON Collaboration
参考
MEGATRON: Reproducing the Diversity of High-Redshift Galaxy Spectra with Cosmological Radiation Hydrodynamics Simulations
DOI: 10.33232/001c.169643
MEGATRON: how the first stars can create an iron metallicity plateau in the smallest dwarf galaxies
DOI: 10.33232/001c.169605
MEGATRON: the impact of non-equilibrium effects and local radiation fields on the circumgalactic medium at cosmic noon
DOI: 10.33232/001c.169640
MEGATRON: The Physical Origins of Steep UV Slopes at high redshift
DOI: 10.33232/001c.169642
MEGATRON: Disentangling Physical Processes and Observational Bias in the Multi-Phase ISM of High-Redshift Galaxies
DOI: 10.33232/001c.158199
The Impact of Star Formation and Feedback Recipes on the Stellar Mass and Interstellar Medium of High-Redshift Galaxies
DOI: 10.33232/001c.156097