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2020-1-8

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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”——寻找宇宙中最远的星系探索宇宙“小时候”的模样。

  与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。

  假如说今天的宇宙是个百年老人那么宇宙在大概7年也就是在“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与合作资源回到北京大学。第二年他与北大的科研团队一起借助科技部重点研发项目与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差距地球的精确差距。

  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与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与差距。红移越高就说明光源差距地球越远。

  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差距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与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与高密度的结构。

  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与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与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)

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