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艺术家构想图展示了巨型螺旋星系NGC1365与一个较小伴星系发生碰撞并逐渐并合的过程，这一过程激发了剧烈的恒星形成活动，并导致气体及重元素的重新分布。天文学家运用一种新型空间考古学技术，通过分析星系气体中的化学特征，重建了NGC1365在漫长宇宙历史中的演化历程。图片来源：MelissaWeiss／哈佛史密松天体物理中心

通过分析遥远星系的化学指纹，天文学家重建了其长达120亿年的演化历程。这一新方法有助于揭示星系——包括银河系在内——在宇宙时间尺度上是如何形成的。

由哈佛史密松天体物理中心领衔的一支天文学家团队，首次将星系考古学方法应用于银河系以外的星系，以揭示其演化历史。该方法通过分析空间中遗留的化学特征，重建星系的形成与演化过程。

这项研究成果发表于《自然天文学》杂志，提出了一种强大的新方法，用于重建遥远星系的演化历史。该研究还有助于确立一个名为星系考古学的新兴研究领域。

这是我们首次在银河系以外的星系中，以如此精细的程度应用化学考古学方法。论文第一作者、哈佛大学教授兼天体物理学中心主任丽莎凯利说，我们希望理解自身起源：银河系是如何形成的？我们今天呼吸的氧气又是如何产生的？

利用化学指纹绘制星系地图

为开展此项研究，研究人员使用了TYPHOON巡天项目的数据，这些数据由拉斯坎帕纳斯天文台的伊雷内杜邦望远镜采集。他们聚焦于NGC1365——一个从地球视角看呈正面朝向的邻近旋涡星系，这种朝向使其细节更易于观测。这使得研究团队能够分离并分析其中正在形成新恒星的各个区域。

年轻的炽热恒星发出强烈的紫外光，激发周围气体。这一过程使氧等元素产生特征性的窄谱线。通过分析这些光谱模式，科学家能够研究元素在星系中的分布情况。

天文学家长期以来一直知道，星系中心往往含有更高浓度的氧等重元素，而外围区域则较少。这些分布模式受到多种过程的影响，包括恒星形成和超新星爆发的时间与位置、气体在星系内外的流动，以及与其他星系过去的相互作用。

螺旋星系NGC1365的六幅视图，源自其光谱测光数据立方体，该数据立方体由TYPHOON巡天项目获取。最左侧为宽带图像，通过平衡B（蓝）、V（可见光）和R（红）波段的连续谱图像，近似呈现人眼所见的星系外观。其右侧为窄带图像，从TYPHOON数据立方体中提取，中心波长对准电离氢的Hα谱线。单个HII区清晰可见，这些区域由炽热、高光度的O型与B型恒星提供能量，勾勒出两条宏伟的旋臂结构。接下来的三幅图像为分别以其他诊断性发射线（氮、硫以及三种诊断线的合成图像）为中心的数据切片。最后一幅图展示了NGC1365经颜色编码的视向速度场。致谢：B.Madore，卡内基科学研究所天文台

重建120亿年的星系演化历程

通过追踪NGC1365中氧含量的空间分布变化，并将观测结果与Illustris项目提供的先进数值模拟进行比对，研究团队得以重建该星系数十亿年来的演化历程。这些模拟涵盖了气体运动、恒星形成、黑洞活动以及化学成分演化等关键物理过程，时间跨度从宇宙早期延续至今。

他们的分析表明，该星系的中心区域形成较早，并迅速富集了氧元素。相比之下，外围区域则通过数十亿年间与多个矮星系的反复碰撞逐渐演化而成。外侧的旋臂似乎形成时间较晚，很可能是由这些并合事件带来的气体和恒星逐步构建起来的。

看到我们的模拟结果与另一个星系的数据如此接近，非常令人兴奋，哈佛大学天体物理学家、哈佛史密松天体物理中心的天文学家拉尔斯赫尼格说。这项研究显示，我们在计算机上模拟的天文学过程正在数十亿年间塑造着像NGC1365这样的星系。

一种理解星系的新工具

总体而言，研究结果表明NGC1365最初是一个相对较小的系统，随后通过多次与较小邻近星系的并合，逐渐演化成一个巨大的旋涡星系。

凯利表示，这项工作展示了星系气体中的化学特征如何揭示其过往历史，从而确立了河外星系考古学作为天文学中一种有价值的新工具。

这项研究很好地展示了理论如何直接助力观测工作。我认为，这项研究还将影响理论研究者与观测研究者之间的协作方式，因为该项目中理论研究与观测工作各占一半，二者缺一不可。唯有理论与观测紧密结合，才能得出这些结论。

这对银河系意味着什么

研究NGC1365等与银河系具有相似特征的星系，有助于科学家更深入地理解银河系的起源，并判断其演化历史在宇宙中是否具有代表性或属于特例。

所有旋涡星系都是以相似的方式形成的吗？凯利问道，它们的形成过程是否存在差异？它们现在的氧元素分布在哪里？我们的银河系在哪些方面有所不同，或者是否具有独特之处？这些问题正是我们想要解答的。

BY: Smithsonian

FY: AI

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