在广袤的宇宙中，在我们美丽的银河系家园之外，有着数以亿计、形态各异的星系。这些星系有的舒展如旋涡，有的紧凑成团，也有的形状杂乱无章。不同的形态与结构，不仅记录着恒星、气体和暗物质的运动、聚集和相互作用，也保留着星系在漫长演化过程中留下的痕迹。
其中，棒旋星系是一类结构特殊但十分常见的盘星系：这类星系有着明显的延展的星系盘、美丽的旋臂结构、以及横贯星系中心区域的、往往与外围旋臂相连的“棒”状结构。我们的银河系即是这样一个典型的棒旋星系。棒旋星系在今天的宇宙中极为常见：近红外观测显示，约六成盘星系都具有不同程度的棒结构。这类结构的出现往往意味着星系已经建立起一个相对有序、由旋转支撑的恒星盘，结构趋于稳定与成熟；而棒结构自身也驱动了星系内部角动量的重新分配与气体的流动，进而影响星系中心与整体的恒星形成和结构演化，在星系长期演化中扮演着重要角色。
在遥远的早期宇宙，情况则大不相同。在早期宇宙中，星系处于快速增长的阶段，星系间的碰撞、合并、相互作用十分频繁，星系的恒星形成活动与反馈十分剧烈，这使得星系往往以不规则的形态出现，紧致、团块状、不规则的结构十分普遍；而意味着动力学稳定的棒旋形态则十分少见。在这样剧烈、动荡的宇宙学环境下，棒结构往往难以形成或生长。这一点得到了观测与模拟的支持；随着我们回望越来越早的宇宙，棒结构迅速变得稀少。
图1｜不同宇宙时期的星系形态示例。（a）银河系结构示意图。Credit: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC/Caltech)。（b）近邻宇宙中的典型棒旋星系NGC 1300。Credit: NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA); Acknowledgment: P. Knezek (WIYN)。（c）JWST在类星体J0100+2802视场中观测到的一组高红移星系。Credit: NASA, ESA, CSA, Simon Lilly (ETH Zurich), Daichi Kashino (Nagoya University), Jorryt Matthee (ETH Zurich), Christina Eilers (MIT), Rongmon Bordoloi (NCSU), Ruari Mackenzie (ETH Zurich); Image Processing: Alyssa Pagan (STScI), Ruari Mackenzie (ETH Zurich)。
然而，随着望远镜观测能力的提升，尤其是詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的出现，更高灵敏度、更精细角分辨率以及更长波段的观测对人们的认知提出了新的挑战。利用JWST，天文学家在早期宇宙中发现了越来越多具有延展盘结构的星系，其中一些甚至已经形成了清晰的旋臂和中央棒结构。统计研究发现，相比于哈勃空间望远镜的观测，JWST将发现的棒星系比例提升至2倍之多，并将棒星系出现的时间点进一步向早期宇宙推进。这些发现不断挑战着人们的认知：宇宙中最早的棒旋结构究竟何时形成？在年轻而剧烈的早期宇宙中，又如何能够形成适合棒结构出现和生长的环境？
近期，来自清华大学、西湖大学等国内外机构的研究团队，利用JWST望远镜观测数据，在红移5.102处发现了一个大质量棒旋星系候选体：M1149-BSG-z5。这一星系最初在JWST深度成像数据中被发现 ，随后由JWST NIRSpec光谱进行红移认证；这是目前已知红移最高、最早的棒星系候选体。我们今天看到的是这个星系约126亿年前的模样——彼时宇宙诞生仅约11亿年。这一发现首次将棒结构的观测边界推进到红移5以上的宇宙，也把这类复杂星系结构可能出现的时间，推进到了大爆炸后仅约11亿年。
图2｜JWST观测到的M1149-BSG-z5。该星系位于红移5.102，可以看到明显的中央棒状结构以及向外延展的旋臂，是目前已知红移最高、出现时间最早的棒星系候选体。图片来源：Wang et al. (2026)。
进一步分析发现，即使身处仅约11亿年的早期宇宙，M1149-BSG-z5却表现出演化与成熟的痕迹：其恒星质量约为太阳的280亿倍，与银河系的恒星质量相当。光谱观测还发现，M1149-BSG-z5中心存在一个正在活跃吸积的超大质量黑洞。研究团队估算其黑洞质量约为太阳的3000万倍，黑洞与星系恒星质量之比约为千分之一，与近邻宇宙中的活动星系核已经处于相近水平。与此同时，这个星系气体中的重元素丰度已达到约太阳值的一半，说明M1149-BSG-z5在宇宙如此年轻的时候，就已经历了显著的恒星形成和化学演化。研究发现，M1149-BSG-z5位于一个星系较为密集的区域，星系间的相互作用可能促进了棒结构的形成。另一方面，这个星系可能本身就富含气体、具有较高的重子占比，使星系盘更容易发生引力不稳定，从而加速棒结构的形成。
图3｜M1149-BSG-z5中心的活跃超大质量黑洞。（a）JWST NIRSpec获得的Hα+[N II]光谱，其中Hα表现出明显的宽线成分，表明星系中心存在正在活跃吸积的超大质量黑洞。（b）黑洞质量与宿主星系恒星质量的关系。红色五角星表示M1149-BSG-z5，其黑洞质量约为太阳的3000万倍，黑洞与星系恒星质量之比约为千分之一，已接近近邻宇宙活动星系核的质量关系。图片来源：Wang et al. (2026)。
M1149-BSG-z5的发现将棒旋星系候选体出现的观测边界推进到了大爆炸后仅约11亿年。这表明，一些大质量星系可能在此前认为十分“年轻”的宇宙阶段，就已经快速完成质量组装，并发展出与今天银河系等棒旋星系相似的盘、棒和旋臂等复杂结构。这一发现为理解早期宇宙中的星系盘的建立、棒结构的形成，以及棒结构与气体输运、恒星形成和中央黑洞增长之间的关系提供了新的观测约束，同时也为现有的高红移星系形成和动力学演化模型提出了新的挑战。
相关成果题为“A massive barred spiral galaxy at z = 5.102 discovered by JWST”，发表于天体物理学杂志（The Astrophysical Journal, ApJ）。论文第一作者为王笑晗（清华大学天文系博士毕业，现西湖大学博士后），通讯作者为王笑晗、孙凤梧（西湖大学）。研究团队包括西湖大学毛淑德教授，清华大学天文系蔡峥教授，清华大学博士研究生林小靖、李明宇、蔡思嘉；合作单位包括哈佛—史密松天体物理中心、多伦多大学、东京大学等。该工作得到国家自然科学基金等的支持。
原文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/aea414
