“列星随旋，日月递炤；万物各得其和以生，各得其养以成……”5月5日，清华大学天文系副教授蔡峥引用了《荀子—天论篇》中的一句话来解释宇宙运行规律，奇妙的是，古人的浪漫想象与蔡峥团队近期对于宇宙早期大质量星系运行的研究结论相互印证、相互吻合。

日前，清华大学天文系团队通过全波段数据，直接探测到早期宇宙中星系周围气体进入星系的详细过程，证实了重元素丰度较高的“循环内流”是驱动星系恒星形成的关键。据悉，相关研究成果于5月5日以长文形式在线发表于《科学》（Science）。

“这是全世界一直在探索的东西。”蔡峥说道。据悉，此次研究首次对星系的循环气流进行了清晰成像，这对于人类理解星系“生态系统”及星系演化迈出了重要一步。

蔡峥团队首次对星系的循环气流进行了清晰成像并发现其中规律。受访者供图

揭开星系内外气体流动过程谜题

“星系吸积星系外气体形成恒星”的详细过程，一直是天体物理学研究的热点。已有观测发现，在非常早期的宇宙中，大质量星系内部正在剧烈地形成恒星。但是对于气体流入星系的详细过程人们还没有充分理解，流入的气体又是如何驱动恒星形成的过程也未被揭示。

为了揭开这一谜题，来自清华大学的蔡峥副教授团队，利用世界上最大的光学望远镜——“凯克”对一个巨大的气体星云进行了观测，并利用其先进的成像光谱仪——“宇宙网成像器”，成功探测到了星系周围气体的氢元素以及多种重元素辐射，并进一步估计出重元素的大尺度空间分布。

这个气体星云叫作猛犸象一号星云，是蔡峥在2017年发现的，距今110亿光年。

这项研究在世界范围内选取了七八个观测点位，仅数据积累就用了四五年时间，其中，“在凯克望远镜观测了三个晚上，进行了非常长的曝光。”

蔡峥解释，凯克望远镜的成像光谱仪能够检测到不同波长的光，并将不同波长的光波进行成像，“可以理解为拍出来许许多多的黑白照片，然后进行三维成像，这样就能够把环境中的重元素分布清楚地呈现出来。”

经过2年时间的数据分析，最终，团队通过光谱和数值模拟分析发现，这些富含重元素的电离气体，极可能是早先被星系中心的活动星系核喷射到星系周围，通过复合辐射、禁戒跃迁辐射等过程冷却下来，在引力和环境角动量共同作用下，重新回流入星系，形成“循环冷气体流”。对观测到的气体动力学建模进一步表明，循环气体流是朝星系流入的，可以促进和维持恒星形成活动。

蔡峥指出，本次发现对星系如何与大尺度环境进行物质交换提供了清晰的图景，表明“循环气体流”（recycling inflow）是驱动早期宇宙大质量星系形成的重要机制。

用简单模型来解释复杂星系数据

这次研究发现颠覆了人们以往对于星系形成的理解。

记者了解到，此前人们已经观测到，星系存在内流和外流，星系从周围介质中吸收气体（内流），同时黑洞在光压作用下把气体推到更大尺度上（外流），但对于内流和外流的理解基本是割裂开的，忽略了“循环”。

而蔡峥团队此次研究，第一次对宇宙早期暗物质晕的气体流如何流向星系进行了清晰的成像，将星系气流的循环清晰地展现出来。

观测到的气体动力学数据非常复杂，但蔡峥坚信，宇宙的东西都是很优美的，再复杂的数据，也一定可以用简单的模型来解释。

蔡峥讲述了数据分析过程中的一个“插曲”。拿到成像后，蔡峥第一反应将其理解为气体是向外流出，但是后来发现，这个模型无法解释团队观测到的动力学。“我就跟很多很多人去聊，最后许丹丹副教授告诉我，可以考虑气体并不是往外流，而是带有一定角动量的调头往里流，这样应该能够解释你们所观测到的动力学。”

“这句话一下把我之前几年的困惑扫除了。”蔡峥说道。经过尝试，发现这样的模型可以很好地解释所观测到的图像，以及和数据进行匹配。“气流形成了三个旋臂，像丝带一样，非常完美。”

“也就是说，被黑洞推出去的气体，最终又流回了星系。而且这些气体经过在周围暗物质的‘土壤’中进行增丰，重元素丰度更高，所以冷却会更快，回到星系就更容易形成恒星，也加速了整个宇宙中恒星的形成。”

“正所谓‘落红不是无情物，化作春泥更护花。’”在蔡峥眼里，任何复杂事物的内在规律是存在相似性的，他也希望从天体物理的复杂系统中，看到社会规律、人生规律、万物运行的规律。

据悉，相关研究成果于5月5日以长文形式在线发表于《科学》（Science），蔡峥为项目PI（主要研究者），文章通讯作者、共同第一作者；博士生张世武为论文的第一作者，清华大学副教授许丹丹等提供了重要的理论支持。

5月5日，蔡峥介绍研究成果。新京报记者 冯琪 摄

国内光谱巡天望远镜“未来可期”

对于蔡峥的名字和面孔，很多人已从2021年上映的纪录电影《大学》中所熟知。

作为影片中主角之一，电影记录了他从旅美十年的“哈勃学者”到回国入职清华大学天文系的过程，他积极推动要为中国制造一台世界领先的宽视场光谱巡天望远镜，很多人为他“仰望星空”的大胆设想和家国情怀所打动。

而望远镜作为关键设备，对天体物理研究极为重要。蔡峥指出，此次研究发现所使用的设备主要依赖国外的全波段望远镜，但在他看来，“未来可期”—— 结合更大口径、更大视场的光谱巡天望远镜，例如中国正在建设中的空间站巡天望远镜，以及清华大学正在推动建设的MUST巡天望远镜等，将让人们有望揭示星系中恒星形成的全貌。

蔡峥所提到的后者，就是电影《大学》中蔡峥所致力建设的望远镜。根据计划，要在青海冷湖赛什腾山建设一架口径6.5米的宽视场（光谱）巡天望远镜（MUST），这也可能会是国际首台第五代光谱巡天望远镜。

记者了解到，目前蔡峥一半以上的精力都放在推动这台大望远镜的建设上。“我们要争取2029年把它放在青海冷湖。”蔡峥告诉记者，如果这台望远镜投入使用，会大大加速对星系形成及演化的研究，并加深对整个宇宙暗物质的理解。

“暗物质和暗能量可以说是21世纪最大的未解之谜了。”蔡峥指出，星系和宇宙是连在一起的，如果想研究清楚这些宇宙的未知，首先需要对星系和物质的相互作用有清晰的理解，才能把研究推进到更大尺度上。相信这项工作，对于人类探索宇宙也会有借鉴作用。

“目前我们只是对一个大质量星系进行了成像，今后，可以对一批不同质量不同环境的星系进行成像，然后来详细理解星系到底是如何演化的。利用更先进的观测设备，我们很快就能从宇宙几亿个天体中筛选出有气体星云来做详细的分析。未来二十年，我们一定可以对星系形成和演化的全貌有更全面的认知。”蔡峥说道。