一、引言：宇宙中的“隱形者”星系

在浩瀚的宇宙中，星系如同璀璨的寶石，點綴在無垠的星空中，激發(fā)著我們無限的想象與探索的渴望。然而，并非所有星系都如此明亮可見。事實上，一些星系由于被濃厚的塵埃云層遮蔽，致使它們在人眼所能觀測的波段中幾乎“消失”。這些星系仿佛宇宙中的“隱形者”，它們藏匿在塵埃的帷幕之后，靜靜等待著科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)。

隨著紅外觀測技術(shù)的不斷進步，越來越多的“隱形者”逐漸浮出水面，其中最具代表性的便是“熱狗”星系（Hot DOGs）。這一類星系通常擁有極端活躍的星系核（AGN），其中巨大的黑洞正以極快的速度吞噬周圍的物質(zhì)，從而產(chǎn)生極端的光度。長期以來，科學(xué)家普遍認為這些星系主要存在于遙遠的高紅移宇宙中，代表了星系演化過程中一個關(guān)鍵的過渡階段。然而，近期的研究卻揭示，近鄰（低紅移）宇宙中同樣存在Hot DOGs。這一發(fā)現(xiàn)不僅為我們提供了關(guān)于星系并合演化的新見解，也為我們探索這些“隱形者”揭開了嶄新的一頁。

二、藏在塵埃里的大胃王：“熱狗”星系

在紅外波段的觀測中，天文學(xué)家識別出一類被大量塵埃遮蔽、在可見光下幾乎不可見的星系，稱為塵埃遮蔽星系（DOGs；Dey et al. 2008）。這些星系紅外亮度極高，通常處于劇烈的恒星形成或活躍的AGN階段。

后來，借助廣域紅外巡天空間望遠鏡（WISE; Wright et al. 2010），科學(xué)家們在遙遠的宇宙空間（z~1-4）發(fā)現(xiàn)了比DOGs更為極端的天體(Eisenhardt et al. 2012)：這些星系擁有更高的塵埃溫度和更強的紅外亮度，幾乎都伴隨著異?；钴S的AGN（Tsai et al. 2015）。這類天體被命名為熱塵埃遮蔽星系（Hot DOGs; Wu et al. 2012），也因此獲得了一個頗具趣味的昵稱——“熱狗”星系（見圖1）。這些星系可不常見。我們知道，SDSS光譜巡天在遙遠的宇宙（z~1-4）中每平方度能發(fā)現(xiàn)約100個星系，但“熱狗”星系的面密度差不多是每31平方度才有一個（Assef et al. 2015）。

圖1 （左）：WISE中紅外顏色圖，“熱狗”星系占據(jù)了獨特的顏色空間位置。（右）：“熱狗” 的光譜能量分布（SED），其能量主要由紅外的塵埃輻射主導(dǎo)，光學(xué)波段要比紅外暗兩個數(shù)量級。和DOGs相比，“熱狗”星系的塵埃更熱，暗示其中心更加劇烈的AGN活動。

這些“熱狗”星系并非簡單的天體，它們的中心存在一個巨大的超大質(zhì)量黑洞，這個黑洞以接近或甚至超過愛丁頓極限的速度吞噬周圍的物質(zhì)，從而釋放出強大的輻射，成為宇宙中光度最高的星系之一(e.g., Wu et al. 2018; Tsai et al. 2018; Li et al. 2024)?？茖W(xué)家們認為，這些星系代表了星系演化中的一個關(guān)鍵過渡階段——從被塵埃遮蔽的類星體到光學(xué)類星體的蛻變。換句話說，Hot DOGs正處在一個充滿活力的過渡期，中心的黑洞快速增長，塵埃包層逐漸被黑洞的強大反饋驅(qū)散，光學(xué)類星體的面貌即將顯現(xiàn)(Sanders et al. 1988; Hopkins et al. 2008)。盡管這一階段在理論上早有預(yù)言，但它的極短生命周期（僅為百萬年量級）使得在觀測中一直缺乏直接證據(jù)。Hot DOGs的發(fā)現(xiàn)完全符合這一預(yù)期，成為研究AGN與宿主星系協(xié)同演化的理想窗口。

迄今為止，科學(xué)家們通過多個望遠鏡，包括夏威夷的凱克望遠鏡（Keck）、智利的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）、哈勃太空望遠鏡（HST）和詹姆斯·韋布太空望遠鏡（JWST），對Hot DOGs進行了廣泛的多波段觀測。然而，目前已確認的 Hot DOGs 幾乎全部位于紅移 1 以上，這引發(fā)了一個關(guān)鍵問題：是否在更近的宇宙中也存在類似天體？如果 Hot DOGs 只是早期宇宙的特殊產(chǎn)物，它們在星系演化中的普遍性將受到質(zhì)疑。相反，若能在低紅移中發(fā)現(xiàn)這類天體，不僅有助于提升觀測分辨率，還將為驗證其演化階段提供重要支撐。

三、低紅移“熱狗”新鮮出爐

如果Hot DOGs確實代表著星系演化中從塵埃遮蔽星系向光學(xué)類星體過渡的關(guān)鍵階段，那么理論上，在更近的宇宙中，也應(yīng)當能發(fā)現(xiàn)這類天體的蹤跡。然而，盡管我們反復(fù)優(yōu)化基于WISE的中紅外顏色選源方法，長時間以來仍然未能在低紅移區(qū)域（z < 1）或近鄰宇宙中發(fā)現(xiàn)Hot DOGs的身影。

圖2 低紅移“熱狗”的藝術(shù)想象圖。圖片來源：蔡肇偉、王培/國家天文臺，徐婧珂。

經(jīng)過研究，我們發(fā)現(xiàn)，在中紅外用顏色挑選Hot DOGs方法本身存在明顯的紅移選擇效應(yīng)。在高紅移區(qū)間，Hot DOGs所處的顏色空間完備性較高，因此更易被識別。但在低紅移宇宙，Hot DOGs的密度本就稀疏近一個數(shù)量級，其顏色位置被眾多干擾源所淹沒，使得我們幾乎無法依賴這一方法將它們從“背景噪聲”中準確挑出。

圖3 （左）W1904+4853的光譜能量分布（SED），其形狀和“熱狗”星系高度相似。（右）：W1904+4853的光譜擬合圖，普遍藍移的寬發(fā)射線成分暗示AGN驅(qū)動的外流氣體的存在。圖片來自Li et al (2023)。

但是發(fā)現(xiàn)往往源于偶然。在我們整理其他WISE強發(fā)射線樣本的過程中，意外地發(fā)現(xiàn)了一個不同尋常的紅外星系(W1904+4853; Li et al. 2023)。為揭開它的真實身份，我們借助帕洛瑪山天文臺的4米光學(xué)望遠鏡（Palomar/DBSP）獲取了其高質(zhì)量光學(xué)光譜，確認其紅移為0.415。隨后，我們又動用3.8米紅外望遠鏡（UKIRT）和麥克斯韋望遠鏡（JCMT），搭建起它從近紅外到遠紅外的完整能譜圖（SED）。結(jié)果表明：它的SED與典型Hot DOGs高度吻合。更為關(guān)鍵的是，譜線分析顯示W1904+4853的中心潛藏著一個正以愛丁頓極限速率吸積的超大質(zhì)量黑洞，其寬發(fā)射線普遍藍移，顯露出AGN驅(qū)動的外流特征（見圖3）；同時，其宿主星系也呈現(xiàn)出明顯的星爆特征——這些特征正是Hot DOGs的典型指紋。毫無疑問，W1904+4853就是一個近鄰宇宙中的Hot DOG（見圖3）。它的出現(xiàn)，不僅首次證實這類天體在低紅移宇宙的存在，也進一步印證了Hot DOGs作為星系演化關(guān)鍵階段的代表性角色。

W1904+4853的出現(xiàn)給予我們的啟示是：我們也許應(yīng)該拋開用顏色選源的“捷徑”，回歸更穩(wěn)妥、更本質(zhì)的選源策略。于是，我們決定不再依賴中紅外顏色選源，而是采用SED為基礎(chǔ)的選源方法：為每個候選體構(gòu)建從光學(xué)到遠紅外的完整SED，并據(jù)此篩選出具有Hot DOGs特征的候選體（Li et al. 2025）。這種“笨辦法”表面看似低效，實則為系統(tǒng)性尋找低紅移Hot DOGs提供了一條更可靠的路徑。我們結(jié)合WISE與Herschel巡天數(shù)據(jù)，在僅有的約3%天區(qū)內(nèi)進行了系統(tǒng)搜索，并最終構(gòu)建出一個偏差更小、更可靠的低紅移Hot DOGs樣本（見圖4）。在Palomar和Magellan/BAADE望遠鏡多晚的觀測下，我們在z < 0.5的區(qū)間內(nèi)確認了3個低紅移Hot DOG系統(tǒng)。它們的光度和黑洞質(zhì)量略遜于高紅移Hot DOGs，但其吸積率卻依舊逼近甚至超過愛丁頓極限。進一步分析發(fā)現(xiàn)，低紅移Hot DOGs的表面數(shù)密度比高紅移樣本低約一個數(shù)量級。這一結(jié)果與宇宙氣體密度隨紅移演化的趨勢高度一致，進一步印證了Hot DOGs可能正是星系從“塵封”走向“顯現(xiàn)”的短暫過渡階段的代表。

圖4 （左）：低紅移“熱狗”樣本在WISE顏色圖上的分布，其位置不同于高紅移“熱狗”并且被大量的其他紅外星系所干擾。（右）：基于SED特征選源的“熱狗”樣本的SED形狀。圖片來自Li et al (2025)。

四、當過去照進現(xiàn)在：我們?yōu)楹涡枰彙盁峁贰保?/span>

在浩渺宇宙的時空長河中，Hot DOGs——這些被厚重塵埃層包裹的星系——像是遙遠宇宙中一幕壯麗卻短暫的火焰劇場。它們的核心藏著極度活躍的黑洞，正以前所未有的速度吞噬周圍物質(zhì)，激發(fā)出熾熱的能量風(fēng)暴。然而，正因這些天體大多位于高紅移（遙遠的宇宙），我們對于它們的了解始終被距離和觀測能力所限制，許多重要細節(jié)仍舊難以揭示。而今，低紅移Hot DOGs的發(fā)現(xiàn)令人振奮。它們就像是宇宙歷史中的“近景回放”——讓我們有機會以更清晰的視角、更多的觀測手段，去還原這種劇變時刻發(fā)生的全過程。從射電、紅外到光學(xué)乃至X射線，我們可以更全面地分析它們的能量機制、塵埃結(jié)構(gòu)和黑洞活動，進一步驗證高紅移Hot DOGs背后的理論圖景。

這些低紅移Hot DOGs的識別并不容易。人們主要依賴它們從光學(xué)到遠紅外的獨特能譜（SED）特征進行甄別。但由于當前遠紅外巡天覆蓋率有限，能夠被確認的樣本少之又少，每一個被發(fā)現(xiàn)的“近鄰熱狗”都彌足珍貴。正因如此，我們正在嘗試用更多的觀測手段對這些近鄰Hot DOGs展開立體化觀測：

• 利用甚長基線陣列（VLBA）的高分辨率射電觀測，我們試圖解析這些極端AGN系統(tǒng)中心的射電結(jié)構(gòu)，深入理解黑洞活動與周邊物質(zhì)之間的相互作用；

• 借助毫米波天線IRAM-30米望遠鏡，我們能夠探測到多相的CO輻射，為理解AGN反饋對星系中的冷氣體含量的影響積累寶貴的示例；

• 依托FAST（500米口徑球面射電望遠鏡）的超高靈敏度，我們有望探測到這些系統(tǒng)中的原子氣體，為預(yù)測它們未來的恒星形成潛力提供另一種觀測視角；

• 此外，由于高紅移Hot DOGs的發(fā)射線已移入紅外波段，即便是如JWST這類先進儀器也難以解析其大多數(shù)發(fā)射線的細節(jié)結(jié)構(gòu)。而對低紅移樣本，我們希望未來借助**中國空間站巡天望遠鏡（CSST）**的IFU（積分場單元）能力，在空間上繪制這類致密星系的完整結(jié)構(gòu)。

低紅移Hot DOGs的發(fā)現(xiàn)，不僅是一次偶然的驚喜，更是一扇打開的新窗。它們讓“過去”不再遙遠，讓我們得以站在“現(xiàn)在”，以前所未有的視角審視宇宙最劇烈、短暫卻也最關(guān)鍵的演化瞬間。 

主編：楊嬡媛

審查：何嘉

審核：田斌

審批：陸燁