遙望百億光年外的輝光

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宇宙中神秘的“巨無(wú)霸氣泡”萊曼—阿爾法團(tuán)塊，是百億光年外的一種巨大氣體云。多年來，天文學(xué)家致力于解開其起源之謎。由中外14家單位的學(xué)者共同參與的國(guó)際研究，揭示了“巨無(wú)霸氣泡”從何而來，對(duì)了解包括銀河系在內(nèi)的眾多星系如何形成具有重要意義。

宇宙誕生于137億年前的大爆炸。天文學(xué)的迷人之處在于，讓我們有機(jī)會(huì)乘坐“時(shí)光機(jī)”，來回望137億年前的早期宇宙，遙望古老星系最初的模樣。

日前，國(guó)際期刊《自然·天文學(xué)》發(fā)表了由中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)、美國(guó)猶他大學(xué)等14家單位組成的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)一項(xiàng)最新研究成果，揭示了來自百億光年外萊曼—阿爾法團(tuán)塊的能量來源，或許有助于解開星系形成和演化之謎。

觀測(cè)發(fā)現(xiàn)巨型云團(tuán)，找到其能量來源

“巨無(wú)霸氣泡”的發(fā)現(xiàn)，要從茫茫宇宙中充盈著的氫元素說起。

如果有機(jī)會(huì)“鉆”進(jìn)氫原子里，會(huì)看到許多電子在不同能級(jí)的軌道上繞核運(yùn)動(dòng)。電子從更高能級(jí)的外層軌道重回最內(nèi)層時(shí)，會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)的紫外光子，科學(xué)家稱其為萊曼—阿爾法輻射。

一般來說，地面望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)不到這種輻射。但從早期宇宙中發(fā)出的萊曼—阿爾法輻射，借助宇宙大爆炸的膨脹過程，波長(zhǎng)拉伸，變身為七彩的可見光，可以被地面望遠(yuǎn)鏡捕捉到輝光。

20年前，天文學(xué)家在搜索早期星系時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)了一類巨型氫氣體云團(tuán)，能夠發(fā)出奪目的萊曼—阿爾法輻射，光芒相當(dāng)于幾十億個(gè)太陽(yáng)，因此得名萊曼—阿爾法團(tuán)塊。云團(tuán)綿延數(shù)十萬(wàn)光年，物理尺度是銀河系的幾倍大小，像漂浮在宇宙中的巨型肥皂泡，又被稱為“巨無(wú)霸氣泡”。

正如汽車運(yùn)行需要發(fā)動(dòng)機(jī)，如此巨型云團(tuán)自然也需要強(qiáng)有力的能量來源才能發(fā)出輻射。那么，“點(diǎn)亮”巨大云團(tuán)所需要的能量，究竟從哪里來？

理論模擬給出了可能的來源：星系中的恒星形成、星系中心的黑洞、來自星系外部的冷氣流……但這一切都需要觀測(cè)證據(jù)來支撐。

國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)最新研究成果，提供證據(jù)表明“巨無(wú)霸氣泡”的主要能源，來自其中心產(chǎn)生恒星的星系。團(tuán)隊(duì)還在“巨無(wú)霸氣泡”中首次觀測(cè)到，有一股氣體物質(zhì)，因?yàn)橐�力作用被拉向“氣泡”中心�！坝^測(cè)證據(jù)表明，這股向中心下落的氣體，也是‘巨無(wú)霸氣泡’的能源之一。”合作項(xiàng)目組發(fā)起人、中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究員敖宜平說。

科學(xué)家進(jìn)一步分析，兩個(gè)供能來源之間，是否存在著某種關(guān)聯(lián)？

研究合作者、美國(guó)猶他大學(xué)物理和天文系副教授鄭政認(rèn)為，觀測(cè)到的下落氣體來自團(tuán)塊的中心星系外部。通過推斷，這股下落氣體是“氣泡”中心產(chǎn)生新一代恒星的組成物質(zhì)之一。也就是說，兩個(gè)能量來源間存在部分交集。

國(guó)際合作富有成效，期待解開更多謎團(tuán)

合作團(tuán)隊(duì)盯上這個(gè)“巨無(wú)霸氣泡”，源于一次意外收獲。

10年前，敖宜平和團(tuán)隊(duì)里的法國(guó)科學(xué)家在一個(gè)選定天區(qū)中，開展宇宙早期星系的觀測(cè)研究，碰巧包含了4個(gè)超大尺度的萊曼—阿爾法團(tuán)塊。

然而，后續(xù)研究并沒有馬上開展，主要受制于觀測(cè)儀器的精度、觀測(cè)數(shù)據(jù)的缺乏。

轉(zhuǎn)機(jī)發(fā)生在2016年�？茖W(xué)家利用位于智利聯(lián)合阿爾瑪天文臺(tái)的阿卡塔瑪大型毫米波及次毫米波干涉陣列，獲取了“氣泡”中心星系中分子氣體的信息。同處智利的歐洲南方天文臺(tái)，建設(shè)了8.2米口徑的甚大望遠(yuǎn)鏡，提供了萊曼—阿爾法輻射的譜線輪廓。

科技的發(fā)展帶來機(jī)遇，但“巨無(wú)霸氣泡”的謎團(tuán)，還未徹底解開。

一方面，“巨無(wú)霸氣泡”的能量來源還有其他可能，比如超大質(zhì)量黑洞也能產(chǎn)生萊曼—阿爾法輻射。不過，這種黑洞的存在還有待確定。另一方面，目前在“氣泡”中觀測(cè)到氣體下落的案例還很少，需要通過構(gòu)建更復(fù)雜、更接近實(shí)際的模型來細(xì)致分析。

多年來，這一前沿領(lǐng)域開展著富有成效的國(guó)際合作�！拔覀冎皇前l(fā)現(xiàn)了冰山一角，還有很多謎團(tuán)等待探索�！卑揭似秸f。

遙遠(yuǎn)的氣體云，蘊(yùn)藏星系演化信息

光的傳播需要時(shí)間。太陽(yáng)光以每秒30萬(wàn)公里的速度“跑”過近1.5億公里，傳到地球需要8分20秒，所以我們此刻看到的是8分20秒之前的太陽(yáng)。

“從百億光年之外傳回的云團(tuán)輝光，使我們有幸對(duì)正在形成的原始星系團(tuán)驚鴻一瞥。目前的天文觀測(cè)和理論模型都表明，宇宙中存在著連接星系之間的大尺度纖維狀結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)里的氣體可能會(huì)落向星系并進(jìn)一步冷卻，為成長(zhǎng)中的幼年星系提供‘營(yíng)養(yǎng)與能量’，或者成為孕育新一代星系的‘骨骼和肌肉’�！卑揭似秸f。

這也正是本項(xiàng)研究的最大價(jià)值：這股向中心下落的氣體，蘊(yùn)含著星系生長(zhǎng)演化的關(guān)鍵信息，如果后續(xù)研究能夠證實(shí)它們普遍存在，將對(duì)了解包括銀河系在內(nèi)的眾多星系如何形成起到重要作用。

137億年前，廣袤宇宙中極其微小的密度起伏，還無(wú)法形成恒星和星系，宇宙處于“黑暗時(shí)代”。直到數(shù)億年后，第一批恒星和星系開始出現(xiàn)，群星從此閃耀，宇宙迎來了“黎明時(shí)分”。

相比之下，太陽(yáng)系的年齡僅50億歲、地球才46億歲，實(shí)在太過年輕。要解開星系的形成和演化之謎，我們還要將目光投向更為遙遠(yuǎn)的宇宙深空。

“天文學(xué)的研究范圍廣泛，每個(gè)團(tuán)隊(duì)的研究都是細(xì)小分支。如同浩瀚無(wú)邊的茫茫宇宙，人類的了解也只是滄海一粟。對(duì)無(wú)垠宇宙的好奇、對(duì)人類家園的求索，是對(duì)我們從哪里來、到哪里去這一終極命題的不斷追問，也是一代代科學(xué)家仰望星空的原因�！卑揭似秸f。