一个类似于我们银河系的巨大星系在宇宙历史的早期被令人震惊地发现，这正在挑战天体物理学家对星系形成的理解。这个气体和恒星的旋转盘状结构在宇宙大爆炸后仅 15 亿年就被观测到，当时宇宙约为其当前年龄的 10%，是迄今为止发现的最早的同类型星系。它为一些最早的星系以冷启动方式形成提供了强有力的证据。
在标准形成模型中，星系是随着气体在弥散的暗物质“晕”中及其周围聚集而合并形成的。所有这些气体在漏斗状进入新生星系的中心时变得极其炽热，并且必须经过一段时间冷却才能开始形成恒星。相比之下，最近的模拟表明，沿着暗物质长丝流入年轻星系的气体可以保持相对凉爽，从而使恒星形成能够更快地开始。这些“冷启动”星系应该形成类似于银河系的螺旋状盘状结构。
到目前为止，观测者设法识别出的大多数早期星系都是不规则的团状物，没有盘状结构，它们的形状因与原星系的反复碰撞而扭曲，并且它们的气体被加热。天文学家确实在宇宙历史的最初几十亿年中发现了一些盘状星系。但一些研究人员认为，这些天体的年龄已经足够古老，它们的气体已经冷却下来，这使得它们的起源变得不确定。
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然而，这个特殊的盘状星系驳斥了此类异议。“我们发现了一个含有大量冷气体的星系，”德国海德堡马克斯·普朗克天文研究所的天文学家、报告观测结果的研究报告的第一作者马塞尔·尼勒曼说。该研究报告发表在 5 月 21 日的《自然》杂志上。“如果它是通过热模式吸积形成的，它就不会在那里。”
加州大学圣地亚哥分校研究星系演化的天文学家科勒尔·惠勒对此表示赞同。该星系提供了“冷模式吸积的非常强有力的证据”，她说。（惠勒没有参与该论文。）
尼勒曼和他的同事声称，新发现意味着第一代星系中的大多数是通过冷模式吸积或与其他年轻星系的碰撞形成的。
搜寻阴影
长期以来，研究人员一直在争论涌入最早星系的气体是热的还是冷的。模拟结果倾向于冷气体，但怀疑论者对这些虚拟结论的有效性提出了质疑。他们这样做是有充分理由的：必然地，这些模型简化了星系的许多最突出的环境效应，例如超新星和黑洞的反馈过程，这些过程可能会加热原本凉爽的气体。
富兰克林与马歇尔学院的天体物理学家瑞恩·特雷纳说：“关于这个问题，过去几十年一直存在争议，他没有参与《自然》杂志的研究。寻找早期星系的挑战之一是需要足够大和足够亮的目标，以便在巨大的宇宙距离中被看到。因此，最明亮的天体是最有可能被观测到的天体。为了克服这种偏差，尼勒曼和他的同事决定利用已故天文学家亚瑟·沃尔夫开创的方法。他们使用位于智利的阿塔卡玛大型毫米/亚毫米波阵列 (ALMA)，在类星体的前方搜寻星系，类星体是宇宙中最亮的天体。当来自类星体的光穿过前景星系时，来自该星系的气体会吸收部分光，从而形成尼勒曼所说的“阴影”。
通过使用 ALMA 研究阴影或吸收线，天文学家可以追踪他们在 2017 年发现的星系 DLA0817g 的暗淡气体的旋转运动。他们以团队成员的前顾问和同事的名字将其昵称为“沃尔夫盘”。哈勃太空望远镜的后续观测揭示了该星系的一些最亮恒星，科学家们用这些恒星估计沃尔夫盘平均每年产生 16 个太阳大小的恒星。哈勃的仔细观察还显示，阻挡类星体的气体不是来自 DLA0817g 的中心，而是来自星系的外边缘，这是一个气体应该变薄而不是变厚的区域。研究人员怀疑他们所看到的是将气体漏斗状注入沃尔夫盘的暗物质丝之一。
团队成员兼研究报告的共同作者、加州大学圣克鲁兹分校的天文学家 J. 哈维尔·普罗查斯卡说：“我们无法证明它是一条丝状物，但它远远超出了星系的恒星形成区域。”
通过使用类星体，该团队希望克服先前研究面临的观测偏差。在某种程度上，他们成功了。“你最终可能会得到对星系群体的更公平的抽样，”西澳大利亚大学的天文学家阿尔弗雷德·泰利说。泰利没有参与这项研究，他在《自然》杂志上撰写了关于此研究的配套评论。
并非所有人都信服。特雷纳认为尼勒曼及其同事的新方法避免了亮度的偏差，但可能带有其自身的偏见。“他们的技术偏向于寻找稳定的旋转盘，”他说。由冷星系创建的扩展盘比更紧凑的星系更有可能遮蔽类星体。“这就像向飞镖靶投掷飞镖，”特雷纳说。“更大的飞镖靶更有可能被击中。”他称赞这项技术为“一种非常有用且互补的工具”，但这并没有削弱这项技术。
虽然普罗查斯卡同意较大的星系更有可能阻挡类星体，但他认为沃尔夫盘在背景类星体前方的扩展气体不一定与星系的结构有关。围绕类星体阻挡物体的气体的大分布可能来自星系周围的球状气体壳，也可能来自漏斗状注入气体的扩展丝状物。
特雷纳还质疑像沃尔夫盘这样的星系在早期宇宙中可能有多普遍。他不相信仅仅一个星系就足以证明冷吸积在早期星系形成中占主导地位。但新的星系可能很快就会被发现。尼勒曼的团队计划继续使用 ALMA 研究类星体阴影星系，以期找到更多星系。
普罗查斯卡在谈到冷模式吸积时说：“现在很清楚，在非常早期的某些情况下，你可以做到这一点。我们都有点惊讶。”