中国科学院紫金山天文台与德国马克斯普朗克地外物理所（MPE）、欧洲南方天文台（ESO）等单位的研究人员对宇宙一百亿年前的一个“超-极亮红外星系”（或“超亮红外星系”，hyper-luminous infrared galaxy,HyLIRG）进行了从近红外到亚毫米波的详细观测研究，发现该星系中的旋转盘结构和长期演化模式，挑战了以往对星暴起源的认知。该研究成果于2024年7月15日以“Detailed study of a rare hyperluminous rotating disk in an Einstein ring 10 billion years ago”为题在线发表在《自然•天文学》（Nature Astronomy）上。
HyLIRG是宇宙中红外最亮的一类星系，其本征红外光度大于十万亿倍（1013）太阳光度，即约超过银河系的500–1000倍，之前的研究普遍认为HyLIRG中的极端星暴都是通过星系主并合机制形成的。此类星系非常稀少，其中有极少数更是被强引力透镜效应进一步放大数倍至数十倍，导致红外光度超过数百万亿倍（1014）太阳光度。本论文作者所在的“普朗克全天巡天分析引力透镜极端星暴（PASSAGES）”团队基于普朗克卫星巡天数据（约1万平方度），发现了22个最亮的、被强引力透镜效应放大的HyLIRG，基于此可推测全天（约4万多平方度）此类星系可能只有约100个，它们可能代表了宇宙中最极端的恒星形成物理环境。对此类星系的高空间分辨率观测，尤其是红外和亚毫米波的观测将对理解恒星形成的极端条件至关重要。
PJ0116-24是PASSAGES团队发现的HyLIRG之一，红移为2.125，即宇宙时间106亿年前。该星系发出的光被视线方向上一个大质量星系的引力场放大而形成“爱因斯坦环”（如图1），其红外光度被放大约17倍，使其成为可能是已知南天红外光度最亮的星系。
图1：超-极亮红外星系PJ0116-24被强引力透镜放大形成“爱因斯坦环”，橙色表示其电离气体，蓝色表示其冷气体。
研究人员基于德国马普地外物理所“红外和亚毫米波团组”主导的甚大望远镜（VLT）最先进“增强分辨率成像和光谱仪”（ERIS）的“科学验证项目”，获得了PJ0116-24在近红外H和K波段的多条氢原子谱线和氮、氧、硫的禁线（如图2），利用阿塔卡马大型毫米波和亚毫米波干涉阵（ALMA）获得了相应的亚毫米波段一氧化碳分子谱线，并基于该团组最新开发的三维动力学建模拟合软件DysmalPy，首次同时获得了HyLIRG星系的电离气体和冷气体的三维运动学结构信息（如图3），空间物理尺度分辨率小于100秒差距（约326光年），比同一宇宙时期没有被强引力透镜放大的星系高10倍以上。
研究发现，PJ0116-24与其它绝大多数HyLIRG星系在本质上有很大不同，它拥有一个旋转的大质量强湍流不稳定气体盘，而无明显的星系主并合特征。这首次揭示了大质量强湍流不稳定气体盘在长期演化模式下亦可形成HyLIRG并引发极端星暴，挑战了HyLIRG极端星暴均由星系主并合机制形成的传统认知。
此类被强引力透镜效应放大的HyLIRG是将来更高分辨率、更高频率亚毫米波/太赫兹观测的重点。紫金山天文台毫米波和亚毫米波技术实验室正在推动的雪山牧场亚毫米波观测计划和南极冰穹A太赫兹干涉计划等，都有望带来对极端星暴的新认知。
论文的第一作者与通讯作者均为紫金山天文台刘岱钟研究员，并作为核心成员正参与上述亚毫米波和太赫兹研究计划，紫金山天文台为第二单位，相关工作得到国家自然科学基金项目的支持。
欧洲南方天文台新闻链接：https://www.eso.org/public/images/potw2429a/
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41550-024-02296-7
图2：ERIS近红外积分视场光谱仪谱线（图a、b、c分别展示星系PJ0116-24的Hβ,[OIII],Hα+[NII] 谱线）和星系的巴耳末减幅-恒星质量分布图
（图d，其中PJ0116-24为紫色数据点，红移2的其它恒星形成星系为深蓝色或浅蓝色数据点，近邻星系分布密度由蓝色至棕色背景颜色表示）。
图3：PJ0116-24中冷气体和电离气体的源平面（消除引力透镜作用）速度图（图c、d）和位置-速度图（图g、h）。
从深色到浅色表示速度从蓝移到红移。位置-速度图表示了明显的整体旋转。