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今年 10 月，中國科學(xué)院國家天文臺利用“中國天眼”500 米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（以下簡稱 FAST）探測到了宇宙中目前已知最大的原子氣體結(jié)構(gòu)。該成果于北京時間 2022 年 10 月 19 日 23 點(diǎn)在國際學(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)不足以說明這項(xiàng)研究的意義。

為此，科普中國特別邀請論文第二作者程誠老師執(zhí)筆，帶來獨(dú)家深入解讀。

01

天文學(xué)家到底干了什么？

這項(xiàng)成果簡單來說，就是我們課題組用 FAST 看到了一朵云，很大的一朵云。這朵“云”是一個大約兩百萬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。

從左上角順時針方向分別為：NGC7320、NGC7319、NGC7318（a和 b）、NGC7317。圖片來源：esahubble.org

大，還不是這一發(fā)現(xiàn)激動人心的主要原因。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)祟愡M(jìn)一步理解一個非常重要的星系群的星系并合歷史。

這個星系群叫做“斯蒂芬五重星系”，是 1877 年被法國天文學(xué)家愛德華·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”就是指最初觀測到的 5 個亮星系。不過，后續(xù)觀測發(fā)現(xiàn)，這 5 個亮星系中的 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，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)的一系列觀測現(xiàn)象，比如大尺度的激波、星系群際介質(zhì)恒星形成、長潮汐尾上的恒星形成、活動星系核外流等等。

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)、潮汐等過程的重要樣本。

在星系群相關(guān)研究中，一個非常重要的問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，且都無法解釋現(xiàn)有的全部觀測結(jié)果。

因此，此次借助 FAST 對斯蒂芬五重星系天區(qū)展開的中性氫分布觀測就非常重要了——中性氫是最輕的原子和最常見的重子物質(zhì)，可能會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 小時完成觀測

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、甚大陣做過大約四次射電觀測，這些觀測都只探測到星系群中心約 70 平方角分區(qū)域中的幾個大質(zhì)量星系附近的氫原子分布，觀測數(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到更延展的中性氫輻射。

我們課題組申請并得到了 FAST 的觀測時間，對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，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，一次觀測就能得到 19 個位置的數(shù)據(jù)，因此 FAST 可以以很高的觀測效率和靈敏度探測這一天區(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 個小時就完成了這一天區(qū) 304 個位置的射電觀測，也成功探測到這“朵”巨大而且稀薄的氫原子氣體。

FAST 探測到的在著名致密星系群“斯蒂芬五重星系”周圍天區(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-夏威夷望遠(yuǎn)鏡觀測的 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)鏡第一批觀測并首次向公眾展示的五個目標(biāo)之一，其重要性由此可見一斑（圖片來源：NASA、ESA、CSA、STScI)。

03

“大尺度”的背后，

這些問題更重要

我們觀測到的“這朵云”很稀薄，而如此稀薄的中性氫很可能會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)是很難長期存在的。于是，從理論的角度來說，我們觀測到的這團(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，這些氣體以后會如何演化，是不是星系群形成的時候經(jīng)常會產(chǎn)生類似的原子氣體結(jié)構(gòu)，都是很值得仔細(xì)探討的問題。

而從觀測的角度來說，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，會不會在其它天體系統(tǒng)附近出現(xiàn)，也都是可以借助 FAST 超高的靈敏度和觀測效率來繼續(xù)研究的課題。 我們也在嘗試以類似的靈敏度觀測一些近鄰星系，期望探測到更多類似的現(xiàn)象。

拿我們這篇文章的幾位歐洲合作者來舉例，他們有針對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)值模擬并沒有考慮原子氣體和氣體的電離、復(fù)合過程。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)合這次新的觀測數(shù)據(jù)來還原這些星系的并合歷史。

同時，我們課題組現(xiàn)有的中性氫數(shù)據(jù)也探測到了這個星系群附近的幾個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)證了一個距離星系群約 80 萬光年遠(yuǎn)的星系光譜紅移。正是結(jié)合了過往和當(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。

今年我們又申請得到了一些麗江兩米四光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的光譜觀測時間，希望能結(jié)合矮星系的光學(xué)和射電觀測數(shù)據(jù)來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)表成果還只是開始。未來，“這朵云”可以啟發(fā)我們對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更廣闊的窗口來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 中國科學(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 研究員

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