遥望百亿光年外的辉光

核心阅读

宇宙中神秘的“巨无霸气泡”莱曼—阿尔法团块，是百亿光年外的一种巨大气体云。多年来，天文学家致力于解开其起源之谜。由中外14家单位的学者共同参与的国际研究，揭示了“巨无霸气泡”从何而来，对了解包括银河系在内的众多星系如何形成具有重要意义。

宇宙诞生于137亿年前的大爆炸。天文学的迷人之处在于，让我们有机会乘坐“时光机”，来回望137亿年前的早期宇宙，遥望古老星系最初的模样。

日前，国际期刊《自然·天文学》发表了由中国科学院紫金山天文台、美国犹他大学等14家单位组成的国际合作团队一项最新研究成果，揭示了来自百亿光年外莱曼—阿尔法团块的能量来源，或许有助于解开星系形成和演化之谜。

观测发现巨型云团，找到其能量来源

“巨无霸气泡”的发现，要从茫茫宇宙中充盈着的氢元素说起。

如果有机会“钻”进氢原子里，会看到许多电子在不同能级的轨道上绕核运动。电子从更高能级的外层轨道重回最内层时，会发出特定波长的紫外光子，科学家称其为莱曼—阿尔法辐射。

一般来说，地面望远镜观测不到这种辐射。但从早期宇宙中发出的莱曼—阿尔法辐射，借助宇宙大爆炸的膨胀过程，波长拉伸，变身为七彩的可见光，可以被地面望远镜捕捉到辉光。

20年前，天文学家在搜索早期星系时，偶然发现了一类巨型氢气体云团，能够发出夺目的莱曼—阿尔法辐射，光芒相当于几十亿个太阳，因此得名莱曼—阿尔法团块。云团绵延数十万光年，物理尺度是银河系的几倍大小，像漂浮在宇宙中的巨型肥皂泡，又被称为“巨无霸气泡”。

正如汽车运行需要发动机，如此巨型云团自然也需要强有力的能量来源才能发出辐射。那么，“点亮”巨大云团所需要的能量，究竟从哪里来？

理论模拟给出了可能的来源：星系中的恒星形成、星系中心的黑洞、来自星系外部的冷气流……但这一切都需要观测证据来支撑。

国际合作团队最新研究成果，提供证据表明“巨无霸气泡”的主要能源，来自其中心产生恒星的星系。团队还在“巨无霸气泡”中首次观测到，有一股气体物质，因为引力作用被拉向“气泡”中心。“观测证据表明，这股向中心下落的气体，也是‘巨无霸气泡’的能源之一。”合作项目组发起人、中国科学院紫金山天文台研究员敖宜平说。

科学家进一步分析，两个供能来源之间，是否存在着某种关联？

研究合作者、美国犹他大学物理和天文系副教授郑政认为，观测到的下落气体来自团块的中心星系外部。通过推断，这股下落气体是“气泡”中心产生新一代恒星的组成物质之一。也就是说，两个能量来源间存在部分交集。

国际合作富有成效，期待解开更多谜团

合作团队盯上这个“巨无霸气泡”，源于一次意外收获。

10年前，敖宜平和团队里的法国科学家在一个选定天区中，开展宇宙早期星系的观测研究，碰巧包含了4个超大尺度的莱曼—阿尔法团块。

然而，后续研究并没有马上开展，主要受制于观测仪器的精度、观测数据的缺乏。

转机发生在2016年。科学家利用位于智利联合阿尔玛天文台的阿卡塔玛大型毫米波及次毫米波干涉阵列，获取了“气泡”中心星系中分子气体的信息。同处智利的欧洲南方天文台，建设了8.2米口径的甚大望远镜，提供了莱曼—阿尔法辐射的谱线轮廓。

科技的发展带来机遇，但“巨无霸气泡”的谜团，还未彻底解开。

一方面，“巨无霸气泡”的能量来源还有其他可能，比如超大质量黑洞也能产生莱曼—阿尔法辐射。不过，这种黑洞的存在还有待确定。另一方面，目前在“气泡”中观测到气体下落的案例还很少，需要通过构建更复杂、更接近实际的模型来细致分析。

多年来，这一前沿领域开展着富有成效的国际合作。“我们只是发现了冰山一角，还有很多谜团等待探索。”敖宜平说。

遥远的气体云，蕴藏星系演化信息

光的传播需要时间。太阳光以每秒30万公里的速度“跑”过近1.5亿公里，传到地球需要8分20秒，所以我们此刻看到的是8分20秒之前的太阳。

“从百亿光年之外传回的云团辉光，使我们有幸对正在形成的原始星系团惊鸿一瞥。目前的天文观测和理论模型都表明，宇宙中存在着连接星系之间的大尺度纤维状结构，这些结构里的气体可能会落向星系并进一步冷却，为成长中的幼年星系提供‘营养与能量’，或者成为孕育新一代星系的‘骨骼和肌肉’。”敖宜平说。

这也正是本项研究的最大价值：这股向中心下落的气体，蕴含着星系生长演化的关键信息，如果后续研究能够证实它们普遍存在，将对了解包括银河系在内的众多星系如何形成起到重要作用。

137亿年前，广袤宇宙中极其微小的密度起伏，还无法形成恒星和星系，宇宙处于“黑暗时代”。直到数亿年后，第一批恒星和星系开始出现，群星从此闪耀，宇宙迎来了“黎明时分”。

相比之下，太阳系的年龄仅50亿岁、地球才46亿岁，实在太过年轻。要解开星系的形成和演化之谜，我们还要将目光投向更为遥远的宇宙深空。

“天文学的研究范围广泛，每个团队的研究都是细小分支。如同浩瀚无边的茫茫宇宙，人类的了解也只是沧海一粟。对无垠宇宙的好奇、对人类家园的求索，是对我们从哪里来、到哪里去这一终极命题的不断追问，也是一代代科学家仰望星空的原因。”敖宜平说。