宇宙中所有天體的起源，都離不開原子氣體。近日，我科學家利用“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構，是目前宇宙中探測到的最大的原子氣體結構。“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”，由中國科學院國家天文臺研究員徐聰領導的國際團隊發(fā)現(xiàn)了一個尺度約為200萬光年的巨大原子氣體結構，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構。10月19日，該成果在國際學術期刊《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鍵。”

通過射電天文波段，天文學家能夠對宇宙中的原子氣體進行直接觀測。“中國天眼”是當今世界口徑最大、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年被法國天文學家斯蒂芬發(fā)現(xiàn)后，“斯蒂芬五重星系”便是天文學領域最受關注的星系群，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中的重要問題，“中國天眼”是研究這個問題的“利器”。

由徐聰領導的、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：“我們的科學目標是將‘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，“中國天眼”的調試人員不斷改進、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構，“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構。

徐聰說：“這些原子氣體結構的形成很可能與 ‘斯蒂芬五重星系’早期形成時星系間相互作用的歷史有關，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構系統(tǒng)，形狀像尾巴一樣。“我們原本的預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。我們曾設想，也許有些中性氫是被甩出來到星系邊緣，但當我們看到在星系外圍有一個這么大的原子氣體結構時，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構，“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果，對紫外背景輻射電離進行更多探索。