类星体周围的重子循环与金属增丰过程

近日，中国科学技术大学的王恩赐教授领导的研究团队，基于DESI巡天的早期光谱数据，深入揭示了类星体（QSO）周围多相气体的空间结构与宇宙时间上的演化。类星体的光谱中所携带的吸收线，被视作“穿越宇宙的光针”，记录了沿线星系与气体的物理性质。他们通过叠加数十万条背景类星体光谱，利用33条吸收线（包括Lyα、Mg II、Fe II、C IV等）吸收强度信息，系统刻画了从星系尺度到宇宙大尺度结构中气体的分布与金属增丰历史。这项工作已被《The Astrophysical Journal Letters》接收，是目前利用吸收线全面追踪多相气体随红移演化的最深入研究之一，其第一作者为天文系博士研究生陈泽宇。

星系（或类星体）周围重子物质的分布与演化，一直是星系形成与演化研究中的核心问题。理论上，金属会通过恒星活动驱动的外流或星风，输出到星系周围这些多相的、弥散的气体，从而导致它们在宇宙时标上的金属增丰。然而，这一猜测一直缺乏直接的观测证据。

不过研究人员基于吸收线光谱学的方法，选取不同红移处的类星体作为前景，就能直接探测到它们周围气体的各类元素丰度在统计上的差异。

研究发现，类星体周围多种金属离子的吸收强度在随红移增加（即随宇宙变老）而系统性减弱，整体演化趋势可用 W ∝ (1+z)-4 描述。这表明随着时间推移，类星体附近气体的金属丰度逐渐升高，反映了星系持续形成与演化中的化学富集过程。不同类型离子（低电离如Mg II与Fe II，高电离如C IV与Si IV）表现出显著不同的演化趋势，这揭示出星系周围气体的多相结构。

研究还发现吸收强度W随与类星体的距离D减弱，其分布可用“两晕结构”（two-halo model）描述，分别代表类星体自身引力束缚范围与大尺度宇宙环境中的气体聚集。相比星系两点相关函数，高电离金属（如C IV）显示更为扩展的空间分布，而低电离元素（如Mg II）则更加集中于类星体周围。这一结果提示，类星体环境中的气体不仅受其宿主星系的影响，也反映了更大尺度的宇宙结构作用，为我们理解星系金属形成和运输机制提供了宝贵线索 。