近日，中国科学院紫金山天文台联合中国科学院大学、清华大学和亚利桑那大学等在原星系团核心致密区域发现一对可能正在并合的大质量宁静星系，揭示最亮团星系（Brightest Cluster Galaxy, BCG）在原星系团尚未弛豫之前就已经形成。这对理解高红移BCG的形成及大质量星系恒星形成终止机制提供重要观测限制。该研究成果于2024年2月23日以“The Emergence of a Brightest Cluster Galaxy in a Protocluster Core at z=2.24”为题在《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）上发表。

星系团是宇宙大尺度结构中最致密的系统，在其中央居住着一类被称为最亮团星系（Brightest Cluster Galaxy, BCG）的超大质量椭圆星系。这类星系因其极端形成条件，也常被用来检验大质量星系、星系团和大尺度结构形成的理论模型。然而，其形成机制仍是待解之谜。原星系团作为近邻宇宙大质量星系团的前身，期待在星系团早期形成阶段会形成BCG。

目前，人们对BCG的观测研究局限在位力化的星系团中，尚不清楚这类星系的增长对于成熟星系团的形成是否至关重要。 因此，直接观测早期宇宙原星系团中的BCG对理解BCG和其寄主星系团的关联以及它们的形成演化具有重要意义。

紫金山天文台领衔的国际合作团队利用国际空间哈勃望远镜（HST）的近红外无缝光谱和LBT和 CFHT等地面大型光学/红外望远镜的观测数据，在红移2.24的超大质量原星系团BOSS1244中发现一对可能正在并合的大质量宁静星系——QG1和QG2，它们呈现椭圆形态，有明显的巴尔末等吸收特征（见图1），居住在原星系团核心最致密区域（见图2）。QG1和QG2是BOSS1244中最亮的两个成员星系，尤其QG1已经具备近邻BCG尺寸大、恒星质量大和Sérsic指数高等关键特征，故推断原星系团核心致密区域在没有弛豫之前就已经开始“孕育”BCG。根据宇宙学模型估算，研究人员发现即使这两个星系最终通过并合形成更大质量的成熟BCG，仍发生在原星系团位力化之前。这一结果挑战并拓宽了人们先前在近邻成熟星系团和其最亮团星系共同演化的认知。

图1. 左图：宁静星系QG1和QG2 的HST F160W波段图像。蓝色的空心圆是光谱证认的成员星系，红色六边形为QG1和QG2所在位置。右图：从HST无缝光谱中提取的宁静星系QG1和QG2的一维光谱。红色曲线为最佳拟合的光谱，有明显的巴尔末等吸收特征，无明显的发射线特征。

图2. 超大质量原星系团BOSS1244中星系的空间分布。红色六边形是证认的一对大质量宁静星系QG1和QG2，它们居住在原星系团BOSS1244最致密区域，蓝色点为正常的恒星形成星系，棕色正方形为恒星形成活动剧烈的亚毫米波星系。从中心到外围呈现明显的恒星形成活动梯度分布。

有趣的是，研究团队还首次发现原星系团星系的恒星形成活动从其致密的核心到外围呈现一个显著的梯度分布，即最致密核心区域为宁静星系，中等密度区域为正常的恒星形成星系，低密度外围区域为具有剧烈恒星形成活动的亚毫米波星系（见图2）。呈现出成员星系强的Hα 等值宽度与径向距离的关系（见图3），意味着原星系团星系的恒星形成活动随着环境密度的增加而减弱，表明我们正在目睹原星系团BOSS1244中的星系从中心到外围恒星形成活动终止的过程，这对理解大质量星系恒星形成终止机制提供了重要的观测限制。未来，随着如JWST、Euclid和CSST高灵敏度光学/红外空间望远镜巡天数据的投入使用，有望在高红移BCG研究领域取得突破。 

图3. 原星系团成员星系的Hα等值宽度与相对宁静星系径向距离之间的关系，表明星系中的恒星形成活动随着环境密度的增加逐渐减少。

论文第一作者为紫金山天文台博士后师冬冬博士，通讯作者为其合作导师郑宪忠研究员。该项工作得到了国家自然科学基金、中国载人航天工程项目和江苏省自然科学基金等项目的资助。

论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad17c3