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今年 10 月，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)利用“中國(guó)天眼”500 米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（以下簡(jiǎn)稱(chēng) FAST）探測(cè)到了宇宙中目前已知最大的原子氣體結(jié)構(gòu)。該成果于北京時(shí)間 2022 年 10 月 19 日 23 點(diǎn)在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上發(fā)表[1]，媒體報(bào)道都強(qiáng)調(diào)其“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)”，但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以說(shuō)明這項(xiàng)研究的意義。

為此，科普中國(guó)特別邀請(qǐng)論文第二作者程誠(chéng)老師執(zhí)筆，帶來(lái)獨(dú)家深入解讀。

01

天文學(xué)家到底干了什么？

這項(xiàng)成果簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是我們課題組用 FAST 看到了一朵云，很大的一朵云。這朵“云”是一個(gè)大約兩百萬(wàn)光年尺寸的中性氫氣體結(jié)構(gòu)，比我們所在的銀河系大二十多倍。

從左上角順時(shí)針?lè)较蚍謩e為：NGC7320、NGC7319、NGC7318（a和 b）、NGC7317。圖片來(lái)源：esahubble.org

大，還不是這一發(fā)現(xiàn)激動(dòng)人心的主要原因。天文學(xué)界更感興趣的是，這朵“云”的發(fā)現(xiàn)，將幫助我們?nèi)祟?lèi)進(jìn)一步理解一個(gè)非常重要的星系群的星系并合歷史。

這個(gè)星系群叫做“斯蒂芬五重星系”，是 1877 年被法國(guó)天文學(xué)家愛(ài)德華·斯蒂芬（édouard Stephan）用 80 厘米口徑望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的、由 5 個(gè)亮星系和附近的一些矮星系組成的致密星系群，其名字中的“五重”就是指最初觀測(cè)到的 5 個(gè)亮星系。不過(guò)，后續(xù)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，這 5 個(gè)亮星系中的 NGC7320 是前景星系，斯蒂芬五重星系的星系群實(shí)際上主要由 NGC7319，NGC7318b，NGC7318a，NGC7317 這 4 個(gè)亮星系組成。

其中，NGC7318b 正在以大約 1000km/s 的速度撞入此前存在的星系群際介質(zhì)中，后者是由于星系群中其它星系相互碰撞而產(chǎn)生的。也就是說(shuō)，在斯蒂芬五重星系存在著復(fù)雜的星系相互作用，以及由此引發(fā)的一系列觀測(cè)現(xiàn)象，比如大尺度的激波、星系群際介質(zhì)恒星形成、長(zhǎng)潮汐尾上的恒星形成、活動(dòng)星系核外流等等。

由于斯蒂芬五重星系中的相互作用非常熱鬧，它自發(fā)現(xiàn)以來(lái)就一直就成了最受關(guān)注的星系群，是研究星系碰撞、并合、星系際介質(zhì)、潮汐等過(guò)程的重要樣本。

在星系群相關(guān)研究中，一個(gè)非常重要的問(wèn)題是這些星系的相互作用歷史，也就是星系并合歷史。但是，因?yàn)樗沟俜椅逯匦窍档南嗷プ饔帽容^復(fù)雜，不同課題組的數(shù)值模擬結(jié)果不盡相同，且都無(wú)法解釋現(xiàn)有的全部觀測(cè)結(jié)果。

因此，此次借助 FAST 對(duì)斯蒂芬五重星系天區(qū)展開(kāi)的中性氫分布觀測(cè)就非常重要了——中性氫是最輕的原子和最常見(jiàn)的重子物質(zhì)，可能會(huì)在星系并合早期就被剝離到星系群外圍，了解星系群中的中性氫分布，尤其是彌散在星系群外圍區(qū)域的中性氫觀測(cè)數(shù)據(jù)，將非常有助于約束現(xiàn)有的并合歷史模型。

02

FAST 只用 22.4 小時(shí)完成觀測(cè)

斯蒂芬五重星系這一天區(qū)曾被阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡、綠岸射電望遠(yuǎn)鏡、甚大陣做過(guò)大約四次射電觀測(cè)，這些觀測(cè)都只探測(cè)到星系群中心約 70 平方角分區(qū)域中的幾個(gè)大質(zhì)量星系附近的氫原子分布，觀測(cè)數(shù)據(jù)主要用于研究星系群中的中性氫輻射，數(shù)據(jù)的靈敏度不足以探測(cè)到更延展的中性氫輻射。

我們課題組申請(qǐng)并得到了 FAST 的觀測(cè)時(shí)間，對(duì)斯蒂芬五重星系方向約 700 平方角分天區(qū)做了中性氫觀測(cè)，足以覆蓋到星系群中更外圍的區(qū)域和星系群附近的一些矮星系。

FAST 的靈敏度很高，而且這種單口徑射電望遠(yuǎn)鏡非常適合探測(cè)這種彌散的中性氫氣體。FAST 的十九波束接收機(jī)覆蓋的天區(qū)面積也大，一次觀測(cè)就能得到 19 個(gè)位置的數(shù)據(jù)，因此 FAST 可以以很高的觀測(cè)效率和靈敏度探測(cè)這一天區(qū)的中性氫輻射，是非常適合這一課題的望遠(yuǎn)鏡。

在 2021 年秋天，我們只用了 22.4 個(gè)小時(shí)就完成了這一天區(qū) 304 個(gè)位置的射電觀測(cè)，也成功探測(cè)到這“朵”巨大而且稀薄的氫原子氣體。

FAST 探測(cè)到的在著名致密星系群“斯蒂芬五重星系”周?chē)靺^(qū)中的原子氣體分布（用紅色光暈顯示；光暈越薄表示氣體柱密度越低）。圖中背景為用加拿大-法國(guó)-夏威夷望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的 U，G，R 光學(xué)波段數(shù)據(jù)合成的假彩色圖。斯蒂芬五重星系位于圖像中間。嵌入圖是韋布空間望遠(yuǎn)鏡最近發(fā)布的紅外波段彩圖。斯蒂芬五重星系是韋布空間望遠(yuǎn)鏡第一批觀測(cè)并首次向公眾展示的五個(gè)目標(biāo)之一，其重要性由此可見(jiàn)一斑（圖片來(lái)源：NASA、ESA、CSA、STScI)。

03

“大尺度”的背后，

這些問(wèn)題更重要

我們觀測(cè)到的“這朵云”很稀薄，而如此稀薄的中性氫很可能會(huì)被宇宙的紫外背景輻射電離，因此這種彌散的中性氫結(jié)構(gòu)是很難長(zhǎng)期存在的。于是，從理論的角度來(lái)說(shuō)，我們觀測(cè)到的這團(tuán)氣體是如何產(chǎn)生的，和斯蒂芬五重星系的關(guān)聯(lián)是什么，這些氣體以后會(huì)如何演化，是不是星系群形成的時(shí)候經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似的原子氣體結(jié)構(gòu)，都是很值得仔細(xì)探討的問(wèn)題。

而從觀測(cè)的角度來(lái)說(shuō)，這種大尺寸的中性氫氣體系統(tǒng)有多少，是不是更容易出現(xiàn)在致密星系群附近，會(huì)不會(huì)在其它天體系統(tǒng)附近出現(xiàn)，也都是可以借助 FAST 超高的靈敏度和觀測(cè)效率來(lái)繼續(xù)研究的課題。 我們也在嘗試以類(lèi)似的靈敏度觀測(cè)一些近鄰星系，期望探測(cè)到更多類(lèi)似的現(xiàn)象。

拿我們這篇文章的幾位歐洲合作者來(lái)舉例，他們有針對(duì)斯蒂芬五重星系的豐富的數(shù)值模擬經(jīng)驗(yàn)，然而他們此前的數(shù)值模擬并沒(méi)有考慮原子氣體和氣體的電離、復(fù)合過(guò)程。所以，現(xiàn)在歐洲團(tuán)隊(duì)正在努力從數(shù)值模擬的角度，結(jié)合這次新的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)還原這些星系的并合歷史。

同時(shí)，我們課題組現(xiàn)有的中性氫數(shù)據(jù)也探測(cè)到了這個(gè)星系群附近的幾個(gè)矮星系的中性氫輻射。在 2021 年底，我們還曾借助麗江兩米四光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，成功認(rèn)證了一個(gè)距離星系群約 80 萬(wàn)光年遠(yuǎn)的星系光譜紅移。正是結(jié)合了過(guò)往和當(dāng)前的研究，我們才能在本次在《自然》雜志上發(fā)表的文章中討論中性氫結(jié)構(gòu)的起源。

今年我們又申請(qǐng)得到了一些麗江兩米四光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的光譜觀測(cè)時(shí)間，希望能結(jié)合矮星系的光學(xué)和射電觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)限制星系群附近的衛(wèi)星星系的恒星形成歷史，理解矮星系在星系群演化中的作用。

總而言之，在《自然》雜志發(fā)表成果還只是開(kāi)始。未來(lái)，“這朵云”可以啟發(fā)我們對(duì)宇宙里的天體起源等課題做更深入的研究和思考，F(xiàn)AST 的高靈敏度也給我們帶來(lái)更廣闊的窗口來(lái)探索宇宙中更彌散的中性氫輻射。讓我們一同期待。

參考文獻(xiàn)：

[1] Xu, C.K., Cheng, C., Appleton, P.N. et al. A 0.6 Mpc H I structure associated with Stephan’s Quintet. Nature 610, 461–466 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05206-x

作者｜程誠(chéng) 中國(guó)科學(xué)院南美天文研究中心 副研究員

審核｜韓文標(biāo) 中科院上海天文臺(tái) 研究員

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