宇宙中的 CO 与 [C II] 背景及其在 120 亿年内为恒星形成提供燃料的作用

为什么星系间的隐藏气体很重要

仰望夜空我们看到的是恒星，但看不到那些默默为恒星提供物质的庞大冷气体储备。本文探讨了这些隐藏燃料在宇宙中的总量以及在过去 120 亿年中转化为新恒星的速度。通过读取分布在宇宙网中的简单分子和原子的微弱特征信号，研究表明星系一直在汲取比我们直接观测到的更多且寿命更短的气体供应，这重塑了我们对类似银河系的星系如何成长的认识。

一次性观测所有气体的新方法

作者并非逐一计数单个星系，而是采用一种称为强度绘图的技术来测量许多遥远系统的综合发光。诸如 Planck 与 Herschel 的空间任务在红外与毫米波多个波段绘制了天空图像，那里尘埃被年轻恒星加热而发出明亮光芒。通过将这些图像与位于不同距离区间的数百万星系与类星体的已知位置交叉比对，研究从各时代的光中剥离出每个时期的贡献。在这片背景光中嵌着来自一氧化碳（CO）与电离碳的窄特征，它们作为制星用冷分子气体及恒星加热后冷却气体的指示标志。

称量宇宙的制星燃料

通过这些谱线特征，论文首次以高置信度测得完整 CO 能级阶梯的平均背景信号，并检测到来自电离碳的较弱但清晰的信号。最低阶 CO 线的强度与分子氢的含量直接相关，因此作者无需逐一观测星系就能推断出宇宙中制星燃料的总质量。结果引人注目：在宇宙恒星形成率最高的时代——约在 100 亿年前——分子气体的总量大约是深空星系巡天所统计数量的两倍。这意味着大量微弱、先前未被发现的星系与延伸的气体结构对宇宙燃料库有重要贡献。

需要不断补给的快速消耗燃料箱

分析还揭示了星系消耗气体的速度。通过将总体分子气体密度与独立测量的宇宙恒星形成速率相比较，论文估算出全局耗尽时间约为 10 亿年。这意味着一旦气体冷却并进入致密的分子相，就会在远短于宇宙年龄的时间尺度上被转化为恒星，因此这个“燃料箱”必须通过来自周围空间的新注入不断补充。同时，这一转化时间远长于气体在引力作用下的自由落体时间，表明湍流和来自年轻恒星的反馈调节了这一过程，防止恒星形成失控增长。

贯穿宇宙史的简单制星规律

由于不同的 CO 线在不同条件下被激发，它们的相对强度就像恒温计与密度计一样，指示统治该背景的制星区域。研究将 CO 激发模式与各时代星系的特征面恒星形成面密度联系起来。结合耗尽时间，研究重建了恒星形成强度如何随分子气体面密度变化。令人惊讶的是，这一关系遵循一种早已在邻近星系中发现的简单超线性定律，即更密的气体盘形成恒星的速度增长得更快。以汇总视角而非逐个星系观察时，这一规律在约 90% 的宇宙历史上平均成立。

气体冷却与为未来望远镜指路

电离碳谱线提供了互补的视角，跟踪气体在被恒星搅动和加热后如何冷却。其随时间测得的亮度为年轻恒星将能量传递到周围环境的效率以及该能量最终如何被辐射出去提供了全球性的量度。CO 与电离碳背景共同描绘出一个连贯的生命周期：气体流入星系、冷却为致密云、形成恒星，随后又被这些恒星加热并驱动流动。通过把理论预测转化为谱线强度的直接测量，这项工作为即将到来的三维强度绘图实验设定了实用目标——这些实验将利用这些谱线不仅研究星系增长，还绘制宇宙的大尺度结构本身。

引用: Chiang, YK. Cosmic CO and [C II] backgrounds and the fuelling of star formation over 12 Gyr. Nat Astron 10, 742–752 (2026). https://doi.org/10.1038/s41550-026-02798-6

关键词: 分子气体, 恒星形成, 强度绘图, 一氧化碳, [CII] 辐射