近日，我系方陶陶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”，对一类与银河系质量和恒星形成率相近的星系进行了系统的“虚拟观测”，揭示了模拟中热气体晕在结构与温度分布上与真实观测之间的显著差异，为改进星系形成模型提供了新的线索。

根据星系形成理论，银河系这类星系的外围应当包裹着一层延伸数十万光年、温度高达数百万度的稀薄热气体晕。这层气体晕由星系吸积物质的引力加热和中心超大质量黑洞的反馈共同塑造，其结构和温度分布是检验理论模型的重要探针。研究团队从TNG50模拟中选出32个与银河系参数相当的模拟星系，构建了两个视角的合成观测数据：一是从星系盘面内部向外“眺望”的视角，模拟我们在地球上观测银河系热晕的情况；二是从外部随机视线观察的视角，用于与近邻星系的X射线叠加观测对比。团队重点计算了这些模拟星系的软X射线（0.5–2.0 keV）表面亮度、发射量度，以及高度电离氧离子O VII和O VIII的吸收线强度（图1展示了一个典型模拟星系从内部到外围的X射线辐射分布）。

图1：TNG50模拟中的一个代表性类银河系星系（ID=520885）。上排展示正视与侧视下恒星质量密度分布，中排为对应的软X射线辐射，显示高温气体集中在星系内部，下排扩展至暗物质晕尺度，可见外围热气体稀疏但仍具结构。白色叉号标示假设的太阳位置（约8.2 kpc）。

对比结果呈现出“内合外分”的格局。在星系中心区域，模拟结果与观测相当一致——软X射线总光度、内区表面亮度、发射量度以及示踪数百万度温热气体的O VII吸收线强度，都在银河系的实测范围内。然而，在更大尺度上，偏差逐渐显现：模拟星系外围半径超过100 kpc处的X射线表面亮度，比eROSITA卫星对SDSS星系样本的叠加信号暗了近一个数量级，说明模拟热气体过于集中在中心，未形成观测上那种延展的弥散晕。更为突出的矛盾在于，示踪更高温气体（约200–300万度）的O VIII吸收线强度系统性偏弱，其中位值比银河系实测低了约65%，表明TNG50的热气体晕缺少了一部分应有的高温相态。

研究指出，这两项偏差很可能指向模拟中活动星系核反馈的共同问题：中心黑洞释放的能量过于集中和剧烈，未能将气体平稳推送至外围，而是在内部过度加热，使气体跃过了O VIII所对应的温度区间。这一结果为今后改进星系形成模拟中的反馈物理机制明确了方向。

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