迄今最遙遠原始星系團是如何發現的?

2021-01-13 量子認知

日本國立天文臺的一個國際聯合研究小組，其中包括有日本、英國、義大利、瑞士、德國、美國等國的科學家，利用多個天文望遠鏡觀測，在距地球130億光年的遙遠之地，發現了由12個星系組成的原始星系團。這是迄今為止所觀察到的最為遙遠的原始星系團。

許多人自然會好奇地問：如何能從地球上發現如此浩瀚的太空中存在的這個極為遙遠的原始星系團的呢？是真的存在嗎？在前面的關於黑洞的8個想法會讓你驚訝不已的文章裡，我們介紹了關於黑洞的一些新的認知，有人就評論說：你沒去過黑洞怎麼知道？（真要去了，可就有去無回了！）

無論在世界上還是宇宙中，我們沒去過或不可能去的地方多的是，但不等於說不能認知它，我們總是可以通過科學的觀察分析手段來不斷認知它。所以，在浩瀚太空中觀察到這個迄今最為遙遠的原始星系團，並不奇怪。這裡，我們儘量用通俗的語言來簡單解釋是如何觀察到的這個問題。

以前，天文學家認為星系的形成是將其拉成團簇結構。現在，新發現認為，氣體細絲導致了星系團的形成，星系在細絲交叉的區域形成。這些星系的細絲交叉處造成了物質密集區。在這些交叉處，冷卻氣體流為星系提供如食物般的動力源。在巨大的細絲交叉時，天文學家監視活躍形成恆星的星系，發現了超大質量的黑洞，它們充當星系的引擎。

宇宙中的大多數氣體都位於星際介質中，在那裡形成宇宙網的片狀和細絲狀。在這些細絲的交點處形成星系團，由重力沿其拉動的氣體供入。儘管通過宇宙學模擬已經很好地建立了這樣的圖景，但是很難通過觀察來證明。通過在星系周圍開始形成星團的區域繪製星系間介質的發射圖，研究人員發現，氣體被排列成細絲，其位置和速度與恆星形成的星系相關，從而為這樣的理論提供了支撐。

原始星系團是早期宇宙星繫結合在一起的宇宙星系網絡，其結構類似於將星系內的所有東西都綁在一起的蜘蛛網狀。天文學家使用多個望遠鏡觀察發光的氣體細絲，類似於連接龐大網狀星系的網線。它們是在距水瓶座星座120億光年遠的星系原始星團或一群形成星團的星系中發現的，該星系群集稱為SSA22，星團可以充滿成百上千個星系。由於它與我們地球之間迄今最為遙遠的距離，這使得該星團簇成為迄今宇宙中最為年輕時的結構。

宇宙學常通過模擬來預測宇宙中星系間氣體細絲網絡以及星系在其中形成並演化的過程。但是，這些網絲髮出的任何微弱的光都限制了對該預測的測試。這項研究提出了從多個細絲延伸的靜止幀紫外線（Lyman-α）輻射的檢測。嵌入這些結構的星系中所正在發生的強烈的恆星形成和超大質量的黑洞活動，可能是促使觀測到的萊曼-α射線的電離輻射升高的原因。這項研究觀察結果繪製了絲狀結構中的氣體，這種類型的氣體被認為可以促進大型原始團中星系和黑洞的生長。

歐洲南方天文臺的超大型望遠鏡（VLT）上的多單元光譜瀏覽器（MUSE）協助了該研究項目，搜索了擴展的三維絲狀結構。通過檢測稱為萊曼α（Lyman-α，簡稱Lyα））輻射的這一重要紫外線，它是由團簇中的星系照射的氫氣所產生。天文學家之所以能夠選測出這些微弱細小的絲束，是因為絲束這些被星系創造出的恆星所散出的明亮能量所激發。

主導這項研究項目的是日本理化學研究所科學家秀木秀樹（H. Umehata）。日本理化學研究所（RIKEN：RIkagaku KENkyusho/Institute of Physical and Chemical Research）簡稱理研，自1917年成立以來，在生物學、神經科學、量子物理、天文宇宙和計算機科學等領域，進行了開拓性的創新研究，目前擁有大約3000 名研究人員，來自世界各地的非日本研究人員600多名。

秀木秀樹認為：「這（項研究）非常有力地表明，氣體在重力的作用下沿著細絲落下，觸發了星爆星系和超大質量黑洞的形成，從而賦予了我們今天所看到的宇宙結構」；並指出：「以前的觀察表明，有氣體散發到銀河系之外，但是現在我們已經能夠清楚地表明，這些細絲非常長，甚至超出了我們所觀察的視野範圍」， 「這進一步證明了這些細絲實際上為我們在細絲內部的星系中看到的強烈活動提供了動力。」

儘管星系團是宇宙中受重力控制的最龐大的結構，但宇宙中的大部分氣體實際上存在於星系之間。模擬表明，大爆炸期間產生的氫的60％存在於這些有助於形成結構化纖維網的宇宙線中。較長的網絲可以延伸超過一百萬帕秒。一秒差距約為3.26光年。在整個星系超級星系中，這些網絲為恆星形成和黑洞生長提供足夠的燃料。

美國天體物理學家埃裡卡·哈姆登（Erika Hamden）評價說：「對宇宙中如此最為微弱，最大的結構物的這些觀察，對於理解我們的宇宙如何隨著時間演化，銀河系如何成長和成熟以及銀河系周圍不斷變化的環境如何創造我們所看到的事物至關重要。」

關於這項迄今最遙遠原始星系團發現的論文，發表在上周剛剛出版的《科學》雜誌上。

參考資料：H. Umehata et all. Gas filaments of the cosmic web located around active galaxies in a protocluster. 《Science》. 04 Oct 2019. Vol. 366, Issue 6461, pp. 97-100. DOI: 10.1126/science.aaw5949

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