近日，我系方陶陶教授、张小霞助理教授团队主导的一项国际合作研究成果，已被国际天体物理期刊 《The Astrophysical Journal》 接受。该研究利用当前分辨率最高的宇宙学模拟之一“TNG50”，对32个类银河星系进行了系统的“虚拟观测”，发现模拟中热气体晕的内区与观测吻合，但外围延伸不足，且缺少一部分更高温的气体成分。这一结果为改进星系形成中的反馈模型提供了新线索。

根据星系形成理论，在银河系这样的大质量星系中，应当存在一层延伸数十万光年的高温稀薄气体——热气体晕。它的温度可达数百万度，主要源于气体落向星系时的引力加热，以及恒星活动和中心黑洞反馈的持续能量注入。因此，热气体晕的结构和温度分布，成了检验星系演化理论的重要探针。

研究团队从TNG50模拟中选出32个与银河系质量相近、恒星形成活动相似的模拟星系，从两个角度生成了合成观测数据：一是从星系盘面内部向外“眺望”的视角，模拟在地球上观测热气体晕；二是从外部随机视线观察的视角，用于与近邻星系的X射线观测对比。通过将模拟的X射线辐射和吸收线特征与真实数据进行比对（图1展示了一个典型模拟星系从内部到外围的X射线分布），团队对模拟中热气体晕的表现进行了系统检验。

图1：TNG50模拟中一个典型的类银河星系。上排为恒星分布的俯视与侧视图，中排对应展示了软X射线的强弱分布，高温气体明显集中在星系内部。下排将视野放大到整个暗物质晕尺度，外围热气体变得相当稀疏。图中十字标示了太阳所在位置（距星系中心约8.2 kpc）。

比对结果显示，在星系中心区域，模拟的软X射线辐射和OVII吸收线与观测基本吻合。但在外围，模拟星系的X射线表面亮度比eROSITA卫星对SDSS星系样本的叠加信号暗了接近一个数量级，说明热气体过于集中在中心，未能形成观测上那种弥散延伸的大尺度晕。另一个差异是，示踪200–300万度气体的OVIII吸收线在模拟中系统性偏弱，意味着热气体晕缺少了一部分更高温的气体成分。

研究指出，这两个偏差很可能指向同一个根源：TNG50模拟中，中心黑洞的反馈能量过于集中在内部区域，导致气体没有被平稳推送至外围，而是在中心附近被过度加热，越过了OVIII所对应的温度区间。换句话说，模拟中的黑洞反馈“用力过猛”，没能塑造出观测上那种延伸、包含不同温度成分的热气体晕。

这项研究由国内外多家单位合作完成。论文第一作者为我系张志杰博士（现为上海交通大学博士后），通讯作者为我系张小霞助理教授、方陶陶教授与清华大学李辉副教授。合作者来自上海交通大学、复旦大学，以及美国哥伦比亚大学、弗吉尼亚大学、麻省理工学院，意大利博洛尼亚大学、INAF博洛尼亚天体物理与空间科学天文台、佛罗伦萨大学、INAF阿切特里天体物理天文台等多家单位。本研究得到了国家SKA专项、国家自然科学基金等项目的资助。

论文链接：

https://arxiv.org/abs/2604.24494