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科学家找到127亿年前的巨大原初星系团

2018-10-18 09:16来源:中国科学报

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艺术想象图:127亿光年外的巨型原初星系团

  记者 倪思洁

  在到达地球之前,这束光走了127亿年。漫长的跋涉,加上宇宙的膨胀拉伸,让它的能量微弱而暗淡。

  同一时间,地球,智利拉斯坎帕纳斯天文台。麦哲伦天文望远镜“卖力”地进行星系光谱巡天。科学家们正借助这台设备,建立一个高红移星系数据库,以期解开宇宙演化形成之谜。

  偶然的一瞬,这束微弱的光与望远镜光谱仪上的探测器相遇。一个明显而确定的峰值出现在北京大学天文学家江林华面前。

  江林华及北大科维理研究所团队发现,这束光来自一个巨大原初星系团,它最终会演化成一个约3600万亿倍太阳质量的星系团。10月15日,这一发现在线发表于《自然—天文》。

  追寻宇宙“幼升小”时的模样

  江林华的工作有点类似于“宇宙考古”——寻找宇宙中最遥远的星系,探索宇宙“小时候”的模样。

  和所有生物一样,宇宙也曾是个“宝宝”。一直以来,科学家认为,宇宙是在约137亿年前由一次大爆炸形成的。

  大爆炸之初,婴儿期的宇宙处于极高温、极高压状态,只有光子、质子、中子等基本粒子。之后,宇宙慢慢冷却,花了几十万年时间形成了原子等基本物质结构。那时候的宇宙一片黑暗,没有太阳,没有星星。

  如果说今天的宇宙是个百岁老人,那么,宇宙在大概7岁,也就是在“幼升小”的年纪时,出现了一次重大变化——在引力作用下,宇宙大尺度结构开始形成,最原始的恒星、星系、黑洞出现,宇宙被点亮了。

  江林华感兴趣的问题之一,正是宇宙是怎么完成“幼升小”的,包括“宇宙中第一批天体如何出现”“最原始的宇宙大尺度结构是怎么形成的”“宇宙从黑暗到明亮的过渡是何时完成的”……

  这些问题尚无确定的答案。之所以如此,是因为观测数据有限,统计口径不一。想解决这些问题,就要依赖高探测能力的天文望远镜,在如今明亮的宇宙中“淘”出更多百亿年前留下的、远超人眼可观察范围的微弱光芒。

  2014年9月,江林华带着在美国求学时积累的观测经验和合作资源,回到北京大学。第二年,他和北大的科研团队一起,借助科技部重点研发项目和国家自然科学基金委等项目资助,依托位于智利的麦哲伦天文望远镜,开始了组建星系样本库的征途。

  按照江林华的预期,这个样本库将为研究宇宙“幼升小”的历史提供数据支撑。样本库中的星系不仅都来自于宇宙“幼升小”年代的星系候选体,而且要经过光谱确证,测出距离地球的精确距离。

  偶遇一束从远古走来的光

  2017年的一天,麦哲伦天文望远镜的探测器对准了一块不算大(约4平方度,近似于5个满月大小)的天区,然后把“视线”向更深处望去,为的是从目前星系团候选体中筛选出确定者,并确定它们的位置。

  之后,数据分析人员意外地发现,光谱图在红移5.7的位置上出现了一个不在计划中的峰值。

  “红移”是天文学家们用来判断光“跋涉”了多远的工具。

  一般来说,光刚被发射出来时,具有较高的能量,经历了漫长的传递和宇宙空间拉伸后,能量降低。而光谱仪可以分辨出光的能量,并判断光从刚发出至今的时间和距离。红移越高,就说明光源距离地球越远。

  盯着这个峰值,江林华想看一看这束红移5.7的光是何方神圣。

  “红移5.7”正好对应着距今127亿年前,那时候的宇宙距离大爆炸的时间大约在10亿年,宇宙处在“幼升小”的年纪。“这么巧!”江林华感叹。

  之后的研究结果,让他们更为惊叹——这束光来自一个巨大的原初星系团,或者说星系团的巨大前身。

  通过天体物理学理论分析和计算机数值模拟,科研团队发现,这个巨大的原初星系团最终会“百分之百地”“不可避免地”发展成一个约3600万亿倍太阳质量的星系团。

  宇宙早期已知的最大质量原初星系团

  这可能是宇宙早期已知的最大质量的原初星系团,但同时,这也是一个反常。

  “它就像一座城市,星系密度很高,是同一时期其他区域星系密度的近7倍。”江林华说,目前尚未发现在宇宙早期会有如此大尺度和高密度的结构。

  按照标准宇宙模型的预言,宇宙中大尺度结构的形成类似于滚雪球,小的结构通过合并,形成更大的结构。也就是说,最大的结构往往形成于宇宙演化的后期,如此大的原初星系团在宇宙少年时代不太可能存在。

  可是,新发现的这个巨型原初星系团却出现在宇宙“幼升小”的年纪。“这表明宇宙很早就有了大尺度的结构。”江林华说。

  这样的反常,曾经引起过论文评审人的担忧。4月16日,《自然—天文》杂志收到论文后,组织了3位评审人对文章进行评审。

  3个月后,杂志副主编Marios Karouzos在向江林华反馈审稿意见时说:“3位评审人对您提供的数据和分析印象深刻,但他们也对结论的力度提出了一些担忧。”

  其中一名评审人说:“这些发现很有趣,但需要更为强有力的分析陈述。”

  在评审专家的建议下,科研人员对论文研究方法、图表等的陈述修改完善,最终得到评审专家的认可,论文在9月4日被正式接收。

  江林华表示,他的科研团队还将采用多波段观测手段,进一步研究这个原初星系团的内部结构,同时,他们也期待着望远镜技术和数值模拟技术水平再上一个台阶,以帮助他们通过更大规模的巡天,找到更多与此次类似的原初星系团,完善人类对宇宙结构形成的认知。

  论文相关信息: DOI:10.1038/s41550-018-0587-9

  《中国科学报》 (2018-10-17 第1版 要闻)

[责编:赵清建]

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