科普：星系形成

在许多方面，星系表现得好像它们是有生命的。在生命周期的早期，星系是充满活力的螺旋形，是恒星、行星、黑洞和星云的诞生地。大量的气体流进出星系，它们进行宇宙尺度的呼吸，为数十亿颗恒星的诞生提供燃料。最终，所有的星系都会“死亡”，要么耗尽了用来促进它们生长的气体，要么被另一个更大的星系的引力撕碎。KIPAC的科学家们研究整个生命周期：星系是如何在早期宇宙的黑暗中诞生的，它们的不同组成部分在生存和成长过程中是如何相互作用的，以及它们是如何死亡的。

当第一个星系诞生时，它们反抗了自宇宙大爆炸以来一直向前推进的过程：宇宙气体的冷却。宇宙中所有的气体一开始都是由光子和波动粒子组成的高能汤。随着宇宙的膨胀，这种混沌最终冷却成等离子体，然后再次冷却成中性氢。然而，第一批星系中的恒星和黑洞发出了足够的高能光，它们能够逆转这一过程，将宇宙中的大部分气体重新转化为等离子体。KIPAC的科学家们用计算机模拟来研究这些早期星系，使他们能够剖析许多相互交织的过程，这些过程对于理解宇宙生命的这一时期非常重要。

星系的照片通常集中在中心的恒星、气体和尘埃上，但也有其他更难看到的成分同样活跃。几乎所有星系都至少有一个超大质量黑洞潜伏在它们的中心。虽然体积很小，但这些黑洞的质量可能是太阳的数十亿倍。每当黑洞吞噬附近的气体或恒星时，它们强烈的引力就会将光束和粒子发射出星系。这些喷流的能量如此之大，以至于它们就像信标一样，可以在遥远的宇宙中看到，KIPAC的研究人员利用了这一事实，以便更好地了解它们所在星系的宇宙环境。这些喷流的能量也扰乱了气体流入它们的宿主星系，导致中心黑洞和它的星系的生长紧密地交织在一起。KIPAC的研究人员通过X射线观测和新型计算机模型来研究这一过程。

星系的另一个难以看到的组成部分是几乎所有星系周围的不可见暗物质的漫射。这些暗物质比所有可见的恒星和气体都要重得多，它们控制着星系的运动和成长。正因为如此，对星系的研究面临着一个难题：暗物质比可见物质更容易在理论上建模，但更难用观测来约束。这使得研究“星系——光晕联系”对许多研究领域至关重要。KIPAC的研究人员一直站在星系——光晕联系建模的最前沿，开发了许多该领域的领先技术，并将这些技术推向极限，以研究宇宙中最小的星系。

所有的星系都被一群较小的“卫星”星系所包围。这些卫星星系在绕轨道运行几圈后，就会被宿主的引力撕裂，并迅速被来自当地宇宙的新卫星所取代。KIPAC的科学家们研究这些卫星星系，结合了观测调查——比如DES、DESI和SAGA——计算机模拟和精心调整的模型。研究人员有机会研究这些卫星在失去气体时关闭的恒星形成过程，并可以利用它们的轨道来确定宿主星系暗物质晕的质量和形状。此外，卫星及其暗物质的耐用性与引力和暗物质粒子的特性密切相关。正因为如此，KIPAC的一些研究人员使用卫星星系作为实验室来测试暗物质的性质和其他宇宙学理论。