近日，中国科学院紫金山天文台研究团队联合美国密歇根大学、清华大学和美国马萨诸塞大学阿默斯特分校，结合了欧洲空间局（ESA）XMM-Newton 卫星的深度 X 射线观测，以及ESA另一颗Planck卫星 对 Sunyaev–Zel’dovich（SZ）效应的微波测量，在草帽星系（Sombrero Galaxy）周围发现一个长期被忽视的巨大高温气体库，表明草帽星系周围的高温星系晕可能远比 X 射线观测直接看到的更加庞大，也蕴含着更多能量。该研究结果以“A Possible Hidden Hot Halo Component Revealed by Joint X-ray and Sunyaev–Zel’dovich Observations”为题于2026年9月18日发表在The Astrophysical Journal。

星系并不是由恒星组成的孤立系统。在可见星系盘之外，还存在延伸到数十万光年尺度的巨大气体晕，即星系周介质（circumgalactic medium, CGM）。这些气体是星系物质、金属和能量的重要储库，并在调控星系如何吸积物质、形成恒星以及与周围环境交换物质和能量的过程中发挥关键作用。高温星系晕通常通过 X 射线进行研究。然而，X 射线对气体密度非常敏感，因此更容易探测到密度较高的部分。如果大量气体更加稀薄，它们即使含有可观的质量和能量，也可能在 X 射线波段极其暗弱。SZ 效应提供了另一种完全不同的观测方法。当宇宙微波背景光子穿过高温电离气体时，会与高能电子相互作用，从而在微波背景中留下微弱的能谱畸变。这个信号取决于视线方向上电子压力的积分，因此能够对 X 射线发射很弱的稀薄高温气体保持敏感。

图1: 左图：欧洲空间局 XMM-Newton 卫星拍摄的 NGC 4594（草帽星系）三色 X 射线图像， 北向上、东向左。右图：草帽星系周围 SZ 效应信号随星系中心距离的变化。彩色数据点表示不同微波数据给出的观测结果，灰色曲线表示根据 X 射线观测到的热气体所预测的 SZ 信号。

草帽星系是近邻宇宙中质量最大的盘星系之一。草帽星系距离足够近、质量也足够大，研究人员首次对单个星系周围的高温气体进行随半径变化的 X 射线与微波信号观测比较，而不再像以往依赖大量星系的叠加信号。

研究团队利用 XART-ATOMS（X-raying the Accretion Reservoir Transferred to the ATmosphere Orbiting a Massive Spiral）项目获得的 XMM-Newton 深度观测，测量草帽星系 X 射线气体晕的密度和温度（如图1）。XART-ATOMS 是 XMM-Newton 第 21 轮观测周期的大型项目，总曝光时间达到46万秒。研究人员据此预测这些 X 射线气体应生成的 SZ 信号，并与五套相互独立、基于Planck 数据构建的微波图进行比较，其中部分数据产品还结合了 NASA 的 Wilkinson Microwave Anisotropy Probe（WMAP）观测。比较显示，在距离草帽星系中心约5万秒差距（约16万光年）的位置，实际测得的微波信号明显高于 X 射线气体所能产生的预期值。这表明，草帽星系的高温星系周介质中，可能有很大一部分处于极其稀薄而温度很高的状态，因此很难通过传统的 X 射线观测直接探测。根据简单的双组分气体模型，X 射线与 SZ 信号的强度比值意味着：在这一半径附近，软 X射线能够直接看到的气体可能只占星系晕总体积的不到 1%。其余绝大部分空间可能被温度更高、密度更低的气体填充。由于密度很低，这些气体在 X 射线波段非常暗弱，却仍然可以携带大量热压力、质量和能量。如果这一解释成立，传统的单相 X 射线分析可能把星系晕中的高温气体总质量低估约 2.5 倍，并把其中储存的总热能低估约一个数量级。

这一结果可能同时关系到星系演化研究中两个长期未解的难题。其一是“重子缺失”问题：观测到的星系及其周围普通物质总量往往明显低于宇宙学模型的预期。其二是“星系反馈能量缺失”问题：恒星和超大质量黑洞在星系演化过程中释放了大量能量，但其中相当一部分很难在现有观测中找到明确去向。

如果这一高温低密度气体组分确实存在，其物理性质将非常特殊，可能需要具有极高的温度、更大的空间尺度，或者具有比已探测气体低得多的 X 射线辐射效率。这些气体组分的温度可能远高于草帽星系暗物质晕引力势所对应的典型维里温度，这引出一个关键问题：这些气体如何被加热到如此高的温度，又如何长期维持在星系周围？一种可能性是，这部分气体属于一个尺度更大的星系群级高温大气。另一种可能性则是，草帽星系中心超大质量黑洞过去的活动曾向星系晕注入大量能量。此前在草帽星系中心附近发现的射电瓣表明，其星系核过去确实经历过活动期。研究团队还提出另一种解释：与古老“化石”射电瓣相关的相对论性宇宙线电子，也可能对观测到的微波信号有所贡献。

该研究展示了将 X 射线和 SZ 效应观测结合起来研究星系热气体晕的潜力，可能为寻找星系周围缺失的重子和缺失的反馈能量提供一种新的方法。两种方法对气体的不同物理性质敏感，因此能够互相补充。X 射线主要揭示密度较高、辐射较亮的气体，而微波 SZ 信号则探测视线方向上的积分压力，其中也包括那些过于稀薄、难以产生明显 X 射线辐射的气体。两者之间的差异因此可能成为寻找隐藏物质和能量组分的新途径。未来更高角分辨率和更高灵敏度的微波观测，以及新一代 X 射线高分辨率能谱观测，将帮助确定额外压力究竟来自极高温气体、相对论性粒子，还是当前 X 射线与微波测量的差异。

该研究论文第一作者及通讯作者均为紫金山天文台李江涛研究员，合作团队成员来自美国密歇根大学、清华大学和美国马萨诸塞大学阿默斯特分校。该工作得到国家自然科学基金以及江苏省创新创业人才团队计划等项目的支持。

论文链接：DOI:10.3847/1538-4357/ae883f