人民日報:中外研究團隊揭示宇宙“巨無霸氣泡”能量來源

本報記者 姚雪青

2020年05月15日07:58  來源:人民網-人民日報
 
原標題:遙望百億光年外的輝光

《人民日報》2020年5月15日12版 版面截圖

原標題:中外研究團隊揭示宇宙“巨無霸氣泡”能量來源

遙望百億光年外的輝光

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宇宙中神秘的“巨無霸氣泡”萊曼—阿爾法團塊,是百億光年外的一種巨大氣體雲。多年來,天文學家致力於解開其起源之謎。由中外14家單位的學者共同參與的國際研究,揭示了“巨無霸氣泡”從何而來,對了解包括銀河系在內的眾多星系如何形成具有重要意義。

宇宙誕生於137億年前的大爆炸。天文學的迷人之處在於,讓我們有機會乘坐“時光機”,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,國際期刊《自然·天文學》發表了由中國科學院紫金山天文台、美國猶他大學等14家單位組成的國際合作團隊一項最新研究成果,揭示了來自百億光年外萊曼—阿爾法團塊的能量來源,或許有助於解開星系形成和演化之謎。

觀測發現巨型雲團,找到其能量來源

“巨無霸氣泡”的發現,要從茫茫宇宙中充盈著的氫元素說起。

如果有機會“鑽”進氫原子裡,會看到許多電子在不同能級的軌道上繞核運動。電子從更高能級的外層軌道重回最內層時,會發出特定波長的紫外光子,科學家稱其為萊曼—阿爾法輻射。

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

20年前,天文學家在搜索早期星系時,偶然發現了一類巨型氫氣體雲團,能夠發出奪目的萊曼—阿爾法輻射,光芒相當於幾十億個太陽,因此得名萊曼—阿爾法團塊。雲團綿延數十萬光年,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“巨無霸氣泡”。

正如汽車運行需要發動機,如此巨型雲團自然也需要強有力的能量來源才能發出輻射。那麼,“點亮”巨大雲團所需要的能量,究竟從哪裡來?

理論模擬給出了可能的來源:星系中的恆星形成、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証據來支撐。

國際合作團隊最新研究成果,提供証據表明“巨無霸氣泡”的主要能源,來自其中心產生恆星的星系。團隊還在“巨無霸氣泡”中首次觀測到,有一股氣體物質,因為引力作用被拉向“氣泡”中心。“觀測証據表明,這股向中心下落的氣體,也是‘巨無霸氣泡’的能源之一。”合作項目組發起人、中國科學院紫金山天文台研究員敖宜平說。

科學家進一步分析,兩個供能來源之間,是否存在著某種關聯?

研究合作者、美國猶他大學物理和天文系副教授鄭政認為,觀測到的下落氣體來自團塊的中心星系外部。通過推斷,這股下落氣體是“氣泡”中心產生新一代恆星的組成物質之一。也就是說,兩個能量來源間存在部分交集。

國際合作富有成效,期待解開更多謎團

合作團隊盯上這個“巨無霸氣泡”,源於一次意外收獲。

10年前,敖宜平和團隊裡的法國科學家在一個選定天區中,開展宇宙早期星系的觀測研究,碰巧包含了4個超大尺度的萊曼—阿爾法團塊。

然而,后續研究並沒有馬上開展,主要受制於觀測儀器的精度、觀測數據的缺乏。

轉機發生在2016年。科學家利用位於智利聯合阿爾瑪天文台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台,建設了8.2米口徑的甚大望遠鏡,提供了萊曼—阿爾法輻射的譜線輪廓。

科技的發展帶來機遇,但“巨無霸氣泡”的謎團,還未徹底解開。

一方面,“巨無霸氣泡”的能量來源還有其他可能,比如超大質量黑洞也能產生萊曼—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”中觀測到氣體下落的案例還很少,需要通過構建更復雜、更接近實際的模型來細致分析。

多年來,這一前沿領域開展著富有成效的國際合作。“我們只是發現了冰山一角,還有很多謎團等待探索。”敖宜平說。

遙遠的氣體雲,蘊藏星系演化信息

光的傳播需要時間。太陽光以每秒30萬公裡的速度“跑”過近1.5億公裡,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。

“從百億光年之外傳回的雲團輝光,使我們有幸對正在形成的原始星系團驚鴻一瞥。目前的天文觀測和理論模型都表明,宇宙中存在著連接星系之間的大尺度纖維狀結構,這些結構裡的氣體可能會落向星系並進一步冷卻,為成長中的幼年星系提供‘營養與能量’,或者成為孕育新一代星系的‘骨骼和肌肉’。”敖宜平說。

這也正是本項研究的最大價值:這股向中心下落的氣體,蘊含著星系生長演化的關鍵信息,如果后續研究能夠証實它們普遍存在,將對了解包括銀河系在內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,還無法形成恆星和星系,宇宙處於“黑暗時代”。直到數億年后,第一批恆星和星系開始出現,群星從此閃耀,宇宙迎來了“黎明時分”。

相比之下,太陽系的年齡僅50億歲、地球才46億歲,實在太過年輕。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的宇宙深空。

“天文學的研究范圍廣泛,每個團隊的研究都是細小分支。如同浩瀚無邊的茫茫宇宙,人類的了解也只是滄海一粟。對無垠宇宙的好奇、對人類家園的求索,是對我們從哪裡來、到哪裡去這一終極命題的不斷追問,也是一代代科學家仰望星空的原因。”敖宜平說。

《人民日報》2020年5月15日12版

(責編:耿志超、張鑫)

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