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云。多年來，天文學(xué)家致力于解開其起源之謎。由中外14家單位的學(xué)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(nèi)的眾多星系如何形成具有重要意義。

宇宙誕生于137億年前的大爆炸。天文學(xué)的迷人之處在于，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(xué)》發(fā)表了由中國科學(xué)院紫金山天文臺、美國猶他大學(xué)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，或許有助于解開星系形成和演化之謎。

觀測發(fā)現(xiàn)巨型云團，找到其能量來源

“巨無霸氣泡”的發(fā)現(xiàn)，要從茫茫宇宙中充盈著的氫元素說起。

如果有機會“鉆”進氫原子里，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(nèi)層時，會發(fā)出特定波長的紫外光子，科學(xué)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(fā)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(xué)家在搜索早期星系時，偶然發(fā)現(xiàn)了一類巨型氫氣體云團，能夠發(fā)出奪目的萊曼—阿爾法輻射，光芒相當于幾十億個太陽，因此得名萊曼—阿爾法團塊。云團綿延數(shù)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(fā)動機，如此巨型云團自然也需要強有力的能量來源才能發(fā)出輻射。那么，“點亮”巨大云團所需要的能量，究竟從哪里來?

理論模擬給出了可能的來源：星系中的恒星形成、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證據(jù)來支撐。

國際合作團隊最新研究成果，提供證據(jù)表明“巨無霸氣泡”的主要能源，來自其中心產(chǎn)生恒星的星系。團隊還在“巨無霸氣泡”中首次觀測到，有一股氣體物質(zhì)，因為引力作用被拉向“氣泡”中心。“觀測證據(jù)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(fā)起人、中國科學(xué)院紫金山天文臺研究員敖宜平說。

科學(xué)家進一步分析，兩個供能來源之間，是否存在著某種關(guān)聯(lián)?

研究合作者、美國猶他大學(xué)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(chǎn)生新一代恒星的組成物質(zhì)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”，源于一次意外收獲。

10年前，敖宜平和團隊里的法國科學(xué)家在一個選定天區(qū)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(xù)研究并沒有馬上開展，主要受制于觀測儀器的精度、觀測數(shù)據(jù)的缺乏。

轉(zhuǎn)機發(fā)生在2016年。科學(xué)家利用位于智利聯(lián)合阿爾瑪天文臺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臺，建設(shè)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(fā)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(zhì)量黑洞也能產(chǎn)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(gòu)建更復(fù)雜、更接近實際的模型來細致分析。

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

遙遠的氣體云，蘊藏星系演化信息

光的傳播需要時間。太陽光以每秒30萬公里的速度“跑”過近1.5億公里，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云團輝光，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(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)里的氣體可能會落向星系并進一步冷卻，為成長中的幼年星系提供‘營養(yǎng)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(guān)鍵信息，如果后續(xù)研究能夠證實它們普遍存在，將對了解包括銀河系在內(nèi)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，還無法形成恒星和星系，宇宙處于“黑暗時代”。直到數(shù)億年后，第一批恒星和星系開始出現(xiàn)，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(xué)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，是對我們從哪里來、到哪里去這一終極命題的不斷追問，也是一代代科學(xué)家仰望星空的原因。”敖宜平說。

關(guān)鍵詞： 宇宙