宇宙中所有天體的起源，都離不開原子氣體。近日，我科學(xué)家利用“中國天眼”發(fā)現(xiàn)了一個尺度約為200萬光年的原子氣體結(jié)構(gòu)，是目前宇宙中探測到的最大的原子氣體結(jié)構(gòu)。“中國天眼”也成為唯一一個能探測到如此稀薄氣體的望遠鏡。

利用“中國天眼”，由中國科學(xué)院國家天文臺研究員徐聰領(lǐng)導(dǎo)的國際團隊發(fā)現(xiàn)了一個尺度約為200萬光年的巨大原子氣體結(jié)構(gòu)，位于著名致密星系群“斯蒂芬五重星系”，比銀河系大20倍，是迄今為止在宇宙中探測到的最大的原子氣體結(jié)構(gòu)。10月19日，該成果在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志發(fā)表。

宇宙天體的起源離不開原子氣體

天體物理中非常重要的一項研究，就是觀測宇宙中的氣體。宇宙中所有天體的起源，都離不開原子氣體。例如，星系主要的演化過程就是不斷從宇宙空間吸收原子氣體，然后將其轉(zhuǎn)化為恒星。

團隊成員之一、中科院國家天文臺研究員程誠介紹：“我們看到的所有的天體，比如恒星，它們的源頭最終都會歸結(jié)到中性原子氫氣體。”

此外，研究氣體本身也非常重要。對此，程誠進一步解釋：“比如，有的恒星形成時，它不是來自原子氫，而是來自分子氫。那么，原子氫是怎么變成分子氫的？分子氫的密度為何會越來越高？還有，這些原子氫等重子物質(zhì)是如何匯聚到星系的中心區(qū)域，然后漸漸形成恒星變成星系的？這些問題對于研究天體演化的各種階段都非常關(guān)鍵。”

通過射電天文波段，天文學(xué)家能夠?qū)τ钪嬷械脑託怏w進行直接觀測。“中國天眼”是當(dāng)今世界口徑最大、靈敏度最高的單口徑射電望遠鏡，其所擁有的超高靈敏度，能夠探測到遠離星系中心的極其稀薄的彌散原子氣體所發(fā)出的暗弱輻射。

經(jīng)過研究分析，科研團隊最終選中了著名致密星系群“斯蒂芬五重星系”進行觀測。自1877年被法國天文學(xué)家斯蒂芬發(fā)現(xiàn)后，“斯蒂芬五重星系”便是天文學(xué)領(lǐng)域最受關(guān)注的星系群，也成為韋布空間望遠鏡第一批觀測并首次向公眾展示的5個目標(biāo)之一。

程誠說：“此前，也有其他國家的望遠鏡對這個星系群區(qū)域觀測過多次，但那些望遠鏡的靈敏度都不夠高，所以觀測結(jié)果都不理想。我們期望能夠突破以往的觀測極限。”

“中國天眼”是唯一能探測到如此稀薄氣體的望遠鏡

宇宙中星系相互作用以及它們中間氣體的來源一直是天文學(xué)中的重要問題，“中國天眼”是研究這個問題的“利器”。

由徐聰領(lǐng)導(dǎo)的、以中科院南美天文研究中心為主的國際團隊包括了國內(nèi)外一流的紅外和射電天文專家，他們都有豐富的多波段研究經(jīng)驗。在“中國天眼”對國際天文界開放申請的第一季，該團隊便提交了觀測申請，并通過評審得到了觀測時間。

徐聰說：“我們的科學(xué)目標(biāo)是將‘中國天眼’發(fā)揮到極致，探測到宇宙中最稀薄的氣體，研究星系中的氣體最遠來自宇宙中何處。”

在天文觀測中，出現(xiàn)噪聲在所難免。為了能夠達到觀測目標(biāo)，“中國天眼”的調(diào)試人員不斷改進、提高“中國天眼”的靈敏度并壓制噪聲，終于在2021年10月將其靈敏度調(diào)試到極限，成功觀測到“斯蒂芬五重星系”周圍極稀薄的氣體。

程誠說：“前后觀測大概只用了一個月的時間，望遠鏡的總曝光時間是22小時。這個時間可以說是特別快，超出了我們的預(yù)期。”

在這次觀測中，“中國天眼”的接收機表現(xiàn)也特別出色。

“接收機接收信號時就有點像收音機調(diào)臺，我們要的中性氫的輻射就恰好在1.39GHz附近，我們就需要在這個頻段附近找信號。有些望遠鏡接收機的頻段范圍窄，但‘中國天眼’接收機接收信號的頻率覆蓋范圍很寬，效率就很高。”

讓科研團隊吃驚的是，這些氣體延展到了星系外200萬光年的地方，是有史以來天文觀測到的宇宙中最大的原子氣體結(jié)構(gòu)，“中國天眼”也成為唯一一個能探測到如此稀薄氣體的望遠鏡。

對研究星系及其氣體在宇宙中的演化提出挑戰(zhàn)

“中國天眼”的這項最新發(fā)現(xiàn)，揭示了在遠離該星系群中心的外圍空間，存在大尺度的低密度原子氣體結(jié)構(gòu)。

徐聰說：“這些原子氣體結(jié)構(gòu)的形成很可能與 ‘斯蒂芬五重星系’早期形成時星系間相互作用的歷史有關(guān)，可能已經(jīng)存在了大約10億年。”

程誠告訴記者，此前也有觀測到過這類中性原子氫的彌散系統(tǒng)，但都是一個星系附近有一個中性原子氫結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，形狀像尾巴一樣。“我們原本的預(yù)期是希望利用中性原子氫的彌散分布情況來理解星系群并合的歷史。我們曾設(shè)想，也許有些中性氫是被甩出來到星系邊緣，但當(dāng)我們看到在星系外圍有一個這么大的原子氣體結(jié)構(gòu)時，我們便猜測，也許有一個星系的中性原子氫被徹底剝離出來了。”程誠說。

徐聰介紹，本次成果預(yù)示著宇宙中可能存在更多這樣大尺度的低密度原子氣體結(jié)構(gòu)，“這項發(fā)現(xiàn)對研究星系及其氣體在宇宙中的演化提出了挑戰(zhàn)，因為現(xiàn)有理論很難解釋為什么在如此漫長的時間里，這些稀薄的原子氣體仍沒有被宇宙空間中的紫外背景輻射電離。”

“中國天眼”的運行，為研究宇宙中天體的起源打開了一個嶄新窗口，后續(xù)可以利用本次觀測結(jié)果，對紫外背景輻射電離進行更多探索。