中国科大揭示星系盘演化的主要驱动力：共面气体内流的关键作用

中国科学技术大学天文学系王恩赐教授研究团队，利用MaNGA（Mapping Nearby Galaxies at Apache Point Observatory）样本中的空间分辨光谱数据，研究了气相金属丰度的径向梯度（∇log O/H）与星系其他参数之间的关系，揭示了星系盘演化的核心机制——共面气体内流（Coplanar Inflow）的主导作用，并为星系盘中持续的气体内流提供了间接观测证据。该工作近日发表于《The Astrophysical Journal Letters》上，第一作者为天文学系博士后吕澈秋。

星系盘的形成和演化是星系研究领域中的核心问题之一。在恒星形成星系中，气体盘需要持续的气体供应来维持恒星形成，然而长期以来，气体如何被星系盘吸积以及在星系内流动一直缺乏直接的观测证据。基于数值模拟和理论模型，天文学家认为星系盘的形成机制存在两种主要模式：一种是通过沿盘面的气体持续内流而演化；另一种是星系盘的不同部分独立演化，各区域内的气体流动、恒星形成和金属增丰过程相互独立，如下图所示。然而，这两种模式谁更占主导一直存在争议。

研究发现，在相同恒星质量下，金属丰度较低的星系盘呈现更陡峭的负梯度（即从中心向外金属丰度快速下降）。这一趋势与共面内流模式高度符合：气体在沿盘面螺旋地向星系中心流动的过程中，逐步被盘上恒星形成所增丰。相反，若星系盘上各区域独立演化，金属丰度梯度应与恒星质量面密度梯度强相关，但观测显示两者几乎没有相关性。

研究还发现，气体湍动参数（以σgas/Re表征）与金属丰度梯度密切相关，湍流会通过气体混合削弱梯度。研究利用随机森林机器学习模型，量化了不同物理参数对梯度的影响，结果显示金属丰度（Δlog(O/H)）和湍动参数（σgas/Re）是预测梯度的最关键因素，其重要性远超星系恒星质量或星系尺寸等传统参数。突出了湍流和共面内流在塑造金属丰度梯度中的共同作用，如下图所示。

该研究得到了国家自然科学基金和中国科学技术大学启动基金的支持。研究的合作者还包括天文学系的张红欣教授和孔旭教授，来自北京大学、中国科学院国家天文台等单位的科研人员。这一成果不仅在理论上具有重要意义，也为未来利用空间分辨的观测数据（如詹姆斯·韦伯空间望远镜）研究高红移星系盘的形成提供了新的思路。