歷經(jīng)數(shù)十年搜尋，天文學(xué)家找到宇宙“失蹤”的氫

IT之家 4 月 13 日消息，一項(xiàng)針對(duì)早期宇宙的全新大規(guī)模觀測(cè)研究，極大擴(kuò)充了圍繞年輕星系的已知?dú)錃怏w暈數(shù)量，揭示出這類(lèi)結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比此前認(rèn)知的更為普遍、形態(tài)也更多樣。

天文學(xué)家通過(guò)分析霍比-埃伯利望遠(yuǎn)鏡暗能量巡天項(xiàng)目（HETDEX）的數(shù)據(jù)，在 100 億至 120 億年前的星系周?chē)l(fā)現(xiàn)了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的巨型氫氣體暈 —— 這類(lèi)結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為“萊曼 α 星云”。

據(jù)IT之家了解，這一時(shí)期被稱(chēng)作宇宙正午，是星系恒星形成速率達(dá)到頂峰的階段。維持這種高速成長(zhǎng)需要大量氫氣體補(bǔ)給，而氫正是構(gòu)成恒星的主要原料。但在此之前，人類(lèi)僅探測(cè)到極少數(shù)這類(lèi)氣體暈。

發(fā)表于《天體物理學(xué)雜志》的一項(xiàng)新研究，將已知?dú)怏w暈數(shù)量提升了十倍 —— 從約 3000 個(gè)增至 33000 多個(gè)。該發(fā)現(xiàn)證實(shí)這類(lèi)結(jié)構(gòu)并非罕見(jiàn)，而是普遍存在；同時(shí)也拓展了觀測(cè)到的尺寸范圍，為研究早期星系的形成與演化提供了更完整的數(shù)據(jù)集。

“過(guò)去二十多年里，我們一直在分析屈指可數(shù)的幾個(gè)天體。”該研究第一作者、HETDEX 數(shù)據(jù)管理員艾琳 · 門(mén)圖奇 · 庫(kù)珀表示，“HETDEX 讓我們發(fā)現(xiàn)了更多這類(lèi)氣體暈，并測(cè)量它們的形態(tài)與尺寸，真正構(gòu)建出一份極具價(jià)值的統(tǒng)計(jì)星表。”

氫氣體本身不發(fā)光，因此難以被直接觀測(cè)。但當(dāng)它靠近充滿(mǎn)紫外輻射恒星的星系等高能天體時(shí)，輻射會(huì)激發(fā)氣體發(fā)光。捕捉這種微弱信號(hào)需要高靈敏度設(shè)備進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)，而這類(lèi)設(shè)備資源通常十分緊缺。

填補(bǔ)缺失的結(jié)構(gòu)

此前的巡天僅發(fā)現(xiàn)了部分最明亮、最極端的氣體暈；同時(shí)，針對(duì)早期星系的精細(xì)觀測(cè)往往聚焦范圍過(guò)窄，會(huì)遺漏星系外圍更小區(qū)域之外的結(jié)構(gòu)。這導(dǎo)致中等尺寸的氣體暈大多未被發(fā)現(xiàn)。

HETDEX 項(xiàng)目正填補(bǔ)這一空白。該項(xiàng)目依托麥克唐納天文臺(tái)的霍比-埃伯利望遠(yuǎn)鏡，對(duì)超過(guò)一百萬(wàn)個(gè)星系進(jìn)行測(cè)繪，以深入研究暗能量。

“我們已采集了近半拍字節(jié)的數(shù)據(jù)，不僅涵蓋這些星系，還包括星系之間的區(qū)域。”論文合著者、HETDEX 首席研究員、得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校天文系主任卡爾 · 格布哈特介紹，“我們的觀測(cè)天區(qū)面積相當(dāng)于 2000 多個(gè)滿(mǎn)月，規(guī)模空前龐大。”

“霍比-埃伯利望遠(yuǎn)鏡是全球最大的望遠(yuǎn)鏡之一。”論文合著者、得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校博士后、HETDEX 科學(xué)家達(dá)斯汀 · 戴維斯補(bǔ)充道，“其搭載的設(shè)備單次觀測(cè)可獲取 10 萬(wàn)條光譜，因此我們擁有海量數(shù)據(jù)，還有各種新奇、有趣、奇特的天體等待被發(fā)現(xiàn)。”

新發(fā)現(xiàn)的氣體暈直徑從數(shù)萬(wàn)到數(shù)十萬(wàn)光年不等。部分是包裹單個(gè)星系、呈橄欖球狀的簡(jiǎn)單云團(tuán)，另一些則是包含多個(gè)星系的巨大不規(guī)則結(jié)構(gòu)。“那些是最有意思的，”門(mén)圖奇 · 庫(kù)珀說(shuō)，“它們看起來(lái)像巨型阿米巴原蟲(chóng)，觸須向宇宙空間延伸。”

深化對(duì)星系形成的認(rèn)知

研究團(tuán)隊(duì)從 HETDEX 目前已識(shí)別的 160 多萬(wàn)個(gè)早期星系中，篩選出 7 萬(wàn)個(gè)最亮的星系，借助得克薩斯高級(jí)計(jì)算中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)，分析哪些星系存在外圍氣體暈 —— 這類(lèi)結(jié)構(gòu)特征為中心致密氫區(qū)與外圍彌散云團(tuán)。

近半數(shù)星系具備該結(jié)構(gòu)。但門(mén)圖奇 · 庫(kù)珀表示，這一比例很可能低于真實(shí)值：“我們推測(cè)，最暗弱的系統(tǒng)亮度不足，無(wú)法完全展現(xiàn)其真實(shí)尺寸。”

團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)，這份擴(kuò)充后的星表將推動(dòng)更多早期宇宙相關(guān)研究，包括宇宙結(jié)構(gòu)形成、物質(zhì)分布規(guī)律，以及星系的運(yùn)動(dòng)與相互作用。隨著 33000 多個(gè)氣體暈被確認(rèn)，研究者的重心將從“尋找天體”轉(zhuǎn)向“精細(xì)研究”。

“針對(duì)這一時(shí)期的星系已有多種模型，大多能自圓其說(shuō)，但仍存在缺陷與空白。”戴維斯解釋?zhuān)叭缃裎覀兛梢跃劢箚蝹€(gè)氣體暈，更細(xì)致地探究其背后的物理機(jī)制，進(jìn)而修正或摒棄現(xiàn)有模型，重新推演。”

參考資料：

• https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ae44f3