圖為“中國(guó)天眼”探測(cè)到的在致密星系群“斯蒂芬五重星系”周?chē)靺^(qū)中的原子氣體分布。 中科院國(guó)家天文臺(tái)供圖

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　　宇宙中所有天體的起源，都離不開(kāi)原子氣體。近日，我科學(xué)家利用“中國(guó)天眼”發(fā)現(xiàn)了一個(gè)尺度約為200萬(wàn)光年的原子氣體結(jié)構(gòu)，是目前宇宙中探測(cè)到的最大的原子氣體結(jié)構(gòu)。“中國(guó)天眼”也成為唯一一個(gè)能探測(cè)到如此稀薄氣體的望遠(yuǎn)鏡。

　　利用“中國(guó)天眼”，由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員徐聰領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)尺度約為200萬(wàn)光年的巨大原子氣體結(jié)構(gòu)，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(cè)到的最大的原子氣體結(jié)構(gòu)。10月19日，該成果在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志發(fā)表。

　　宇宙天體的起源離不開(kāi)原子氣體

　　天體物理中非常重要的一項(xiàng)研究，就是觀測(cè)宇宙中的氣體。宇宙中所有天體的起源，都離不開(kāi)原子氣體。例如，星系主要的演化過(guò)程就是不斷從宇宙空間吸收原子氣體，然后將其轉(zhuǎn)化為恒星。

　　團(tuán)隊(duì)成員之一、中科院國(guó)家天文臺(tái)研究員程誠(chéng)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(huì)歸結(jié)到中性原子氫氣體。”

　　此外，研究氣體本身也非常重要。對(duì)此，程誠(chéng)進(jìn)一步解釋：“比如，有的恒星形成時(shí)，它不是來(lái)自原子氫，而是來(lái)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(huì)越來(lái)越高？還有，這些原子氫等重子物質(zhì)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(wèn)題對(duì)于研究天體演化的各種階段都非常關(guān)鍵。”

　　通過(guò)射電天文波段，天文學(xué)家能夠?qū)τ钪嬷械脑託怏w進(jìn)行直接觀測(cè)。“中國(guó)天眼”是當(dāng)今世界口徑最大、靈敏度最高的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，其所擁有的超高靈敏度，能夠探測(cè)到遠(yuǎn)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(guò)研究分析，科研團(tuán)隊(duì)最終選中了著名致密星系群“斯蒂芬五重星系”進(jìn)行觀測(cè)。自1877年被法國(guó)天文學(xué)家斯蒂芬發(fā)現(xiàn)后，“斯蒂芬五重星系”便是天文學(xué)領(lǐng)域最受關(guān)注的星系群，也成為韋布空間望遠(yuǎn)鏡第一批觀測(cè)并首次向公眾展示的5個(gè)目標(biāo)之一。

　　程誠(chéng)說(shuō)：“此前，也有其他國(guó)家的望遠(yuǎn)鏡對(duì)這個(gè)星系群區(qū)域觀測(cè)過(guò)多次，但那些望遠(yuǎn)鏡的靈敏度都不夠高，所以觀測(cè)結(jié)果都不理想。我們期望能夠突破以往的觀測(cè)極限。”

　　“中國(guó)天眼”是唯一能探測(cè)到如此稀薄氣體的望遠(yuǎn)鏡

　　宇宙中星系相互作用以及它們中間氣體的來(lái)源一直是天文學(xué)中的重要問(wèn)題，“中國(guó)天眼”是研究這個(gè)問(wèn)題的“利器”。

　　由徐聰領(lǐng)導(dǎo)的、以中科院南美天文研究中心為主的國(guó)際團(tuán)隊(duì)包括了國(guó)內(nèi)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(yàn)。在“中國(guó)天眼”對(duì)國(guó)際天文界開(kāi)放申請(qǐng)的第一季，該團(tuán)隊(duì)便提交了觀測(cè)申請(qǐng)，并通過(guò)評(píng)審得到了觀測(cè)時(shí)間。

　　徐聰說(shuō)：“我們的科學(xué)目標(biāo)是將‘中國(guó)天眼’發(fā)揮到極致，探測(cè)到宇宙中最稀薄的氣體，研究星系中的氣體最遠(yuǎn)來(lái)自宇宙中何處。”

　　在天文觀測(cè)中，出現(xiàn)噪聲在所難免。為了能夠達(dá)到觀測(cè)目標(biāo)，“中國(guó)天眼”的調(diào)試人員不斷改進(jìn)、提高“中國(guó)天眼”的靈敏度并壓制噪聲，終于在2021年10月將其靈敏度調(diào)試到極限，成功觀測(cè)到“斯蒂芬五重星系”周?chē)鷺O稀薄的氣體。

　　程誠(chéng)說(shuō)：“前后觀測(cè)大概只用了一個(gè)月的時(shí)間，望遠(yuǎn)鏡的總曝光時(shí)間是22小時(shí)。這個(gè)時(shí)間可以說(shuō)是特別快，超出了我們的預(yù)期。”

　　在這次觀測(cè)中，“中國(guó)天眼”的接收機(jī)表現(xiàn)也特別出色。

　　“接收機(jī)接收信號(hào)時(shí)就有點(diǎn)像收音機(jī)調(diào)臺(tái)，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(gè)頻段附近找信號(hào)。有些望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)的頻段范圍窄，但‘中國(guó)天眼’接收機(jī)接收信號(hào)的頻率覆蓋范圍很寬，效率就很高。”

　　讓科研團(tuán)隊(duì)吃驚的是，這些氣體延展到了星系外200萬(wàn)光年的地方，是有史以來(lái)天文觀測(cè)到的宇宙中最大的原子氣體結(jié)構(gòu)，“中國(guó)天眼”也成為唯一一個(gè)能探測(cè)到如此稀薄氣體的望遠(yuǎn)鏡。

　　對(duì)研究星系及其氣體在宇宙中的演化提出挑戰(zhàn)

　　“中國(guó)天眼”的這項(xiàng)最新發(fā)現(xiàn)，揭示了在遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)。

　　徐聰說(shuō)：“這些原子氣體結(jié)構(gòu)的形成很可能與 ‘斯蒂芬五重星系’早期形成時(shí)星系間相互作用的歷史有關(guān)，可能已經(jīng)存在了大約10億年。”

　　程誠(chéng)告訴記者，此前也有觀測(cè)到過(guò)這類(lèi)中性原子氫的彌散系統(tǒng)，但都是一個(gè)星系附近有一個(gè)中性原子氫結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，形狀像尾巴一樣。“我們?cè)镜念A(yù)期是希望利用中性原子氫的彌散分布情況來(lái)理解星系群并合的歷史。我們?cè)O(shè)想，也許有些中性氫是被甩出來(lái)到星系邊緣，但當(dāng)我們看到在星系外圍有一個(gè)這么大的原子氣體結(jié)構(gòu)時(shí)，我們便猜測(cè)，也許有一個(gè)星系的中性原子氫被徹底剝離出來(lái)了。”程誠(chéng)說(shuō)。

　　徐聰介紹，本次成果預(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)，“這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)對(duì)研究星系及其氣體在宇宙中的演化提出了挑戰(zhàn)，因?yàn)楝F(xiàn)有理論很難解釋為什么在如此漫長(zhǎng)的時(shí)間里，這些稀薄的原子氣體仍沒(méi)有被宇宙空間中的紫外背景輻射電離。”

　　“中國(guó)天眼”的運(yùn)行，為研究宇宙中天體的起源打開(kāi)了一個(gè)嶄新窗口，后續(xù)可以利用本次觀測(cè)結(jié)果，對(duì)紫外背景輻射電離進(jìn)行更多探索。