近日，华中科技大学物理学院天文系张华年团队联合国内外合作者在星系周介质（Circumgalactic Medium, CGM）研究领域取得重要进展，9月18日发表于《Science Advances》。合作者包括来自天津师范大学的谢利智、清华大学的屈稚杰、美国亚利桑那大学的Dennis Zaritsky、北京大学的何子山、南京师范大学及南京大学的鲍敏、意大利国家天体物理研究所（INAF）和国际高等研究院（SISSA）的Fabio Fontanot, Michaela Hirschmann和Gabriella De Lucia、云南大学的刘辰旭、中国科学技术大学的王恩赐以及华中科技大学的郑皓焱。研究团队利用大样本积分视场光谱观测，首次系统构建了低红移星系外围星系周介质的光学发射线二维分布图，并发现大尺度星系周介质的光学发射强度与中心星系的恒星形成活动紧密相关，而与星系的恒星质量没有显著联系。研究表明，来自恒星形成区的逃逸电离光子能够为内侧星系周介质提供主要电离能量来源，从而驱动其光学发射。
星系并不仅仅由恒星和星际介质构成。在星系盘之外，还包裹着尺度更大、密度更低、但总质量可与星系恒星成分相当的气体晕——星系周介质。作为连接星系与宇宙大尺度结构的重要纽带，星系周介质既是星系获取气体燃料、持续形成恒星的重要来源，也是恒星形成和黑洞活动反馈物质与能量的关键场所。因此，星系周介质被认为是理解星系形成与演化过程中“物质循环”的核心环节。然而，由于其气体极为稀薄，由电离气体再结合产生的紫外和光学发射极其微弱，长期以来难以直接探测。
图1：星系周介质示意图
过去十余年间，天文学家主要依赖背景类星体吸收线观测，或通过叠加大量星系光谱获得平均发射信号。这些方法虽然揭示了星系周介质的普遍存在及部分物理性质，却难以获得单个正常星系周围气体的二维分布图像，也无法回答一个长期悬而未决的问题：究竟是什么机制为这些远离星系盘面的气体提供电离能量，使其发出可见光？
一、大样本二维图谱揭示星系与周介质的联系
为回答这一问题，研究团队利用斯隆数字巡天（SDSS）MaNGA项目的积分视场光谱数据，从中筛选出72个观测视场覆盖至少5倍半光半径的星系。积分视场光谱技术能够同时获取天区内每个空间位置的光谱信息，从而重建氢原子Hα以及氧元素[O II]、[O III]等发射线的二维分布，并测量气体在不同半径处的发射强度径向分布图与电离状态径向分布图。研究样本的恒星质量跨越约三个数量级，恒星形成率跨越约四个数量级。团队首次在统计意义上系统描绘了普通星系5–10个有效半径范围内冷电离气体的二维分布特征，即位于星系盘之外、内侧星系周介质区域的气体发射。
图2：上图为Hα表面亮度径向分布图；下图氧元素[O II] 发射强度径向分布图
研究发现，Hα、[O II]和[O III]发射线的径向表面亮度剖面均在约1–2个有效半径附近出现明显转折：在星系盘内部，发射强度随半径快速下降；而在盘外区域，亮度剖面明显变得平缓，显示出与盘内气体截然不同的大尺度分布特征。更重要的是，团队发现内侧星系周介质的发射线亮度与星系的恒星形成率以及比恒星形成率存在显著相关性。例如，在约5倍半光半径处，Hα表面亮度与恒星形成率表现出显著正相关关系（Pearson相关系数为0.74），这一趋势在更大半径以及[O II]、[O III]发射线上同样存在。相比之下，发射线亮度与星系总恒星质量之间并未表现出显著相关性。这表明，决定星系周介质发射强弱的关键因素并非星系已经形成了多少恒星，而是当前的恒星形成活动能够持续向星系外围输送多少能量。
图3：Hα表面亮度与恒星质量、恒星形成率、比恒星形成率在5倍、7.5倍、10倍半光半径的相关性
二、逃逸电离光子点亮星系外围气体
恒星形成区中的年轻大质量恒星会产生大量高能紫外辐射，其中部分电离光子能够逃离星系盘，传播至更外侧的星系周介质，并电离周围气体。随后，电离气体与自由电子重新结合，产生Hα、[O II]和[O III]等光学发射线。研究团队结合[O III]/[O II]发射线比值测量气体电离状态，并利用已有经验关系估算电离光子的逃逸比例。结果显示，对于恒星形成较活跃的星系，仅约1%的电离光子逃逸率便足以解释观测到的星系周介质发射；而在恒星形成最强烈的系统中，更高的逃逸率可能使这种影响延伸至更大的空间尺度。
图4：[O III]/[O II]发射线比值以及宇宙学模拟在5倍、10倍半光半径处的预测
这一结果为理解星系与周围气体环境之间的能量交换提供了新的观测证据，也为检验星系形成理论模型提供了重要约束。研究团队进一步将观测结果与GAEA半解析模型以及IllustrisTNG宇宙学数值模拟进行比较，发现不同模型对相关趋势的预测存在明显差异。未来，随着更大规模、更高灵敏度观测项目的开展，这类研究有望进一步限制恒星形成、超新星反馈以及活动星系核反馈等关键物理过程。
三、从个例发现到统计规律
此次成果建立在团队前期工作的基础之上。2024年，张华年副教授与美国亚利桑那大学Dennis Zaritsky教授合作，利用欧洲南方天文台VLT/MUSE深度积分视场光谱数据开展星系周介质发射线盲搜研究，见Zhang&Zaritsky, Science Advances, 2024。该工作首次在单个低质量星系周围发现延展超过30 kpc的Hα气体结构、约60 kpc尺度的Lyα发射结构，以及约130 kpc尺度相互作用星系对之间的[O II]发射特征，证明了直接探测单个星系的星系周介质发射的可行性。
此次最新研究则进一步从72个星系的大样本统计角度出发，揭示了恒星形成活动与外围冷电离气体之间的普遍联系，为理解星系与其周围环境之间的物质和能量循环提供了新的观测视角。星系周介质被认为是连接星系与宇宙环境的重要桥梁，其物理状态直接影响星系未来的恒星形成历史。该研究首次从统计意义上建立了恒星形成活动与大尺度冷电离星系周介质发射之间的联系，为理解星系与周围环境之间的物质循环和能量交换过程提供了新的观测证据，也为下一代巡天项目和宇宙学数值模拟提供了关键约束。
本研究得到华中科技大学启动经费、国家自然科学基金（12303007）以及中国载人航天工程项目（CMS-CSST-2025-A06）等资助。
论文信息
1. Star Formation Powers Optical Line Emission from the Circumgalactic Medium Science Advances (2026)
DOI: 10.1126/sciadv.adp3939
链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec3939
2. A MUSE Source-Blind Survey for Emission from the Circumgalactic Medium Science Advances (2024)
DOI: 10.1126/sciadv.adp8629
链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp8629
