圖為“中國天眼”探測到的在致密星系群“斯蒂芬五重星系”周圍天區(qū)中的原子氣體分布,。中科院國家天文臺供圖

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宇宙中所有天體的起源,，都離不開原子氣體,。近日，我科學(xué)家利用“中國天眼”發(fā)現(xiàn)了一個(gè)尺度約為200萬光年的原子氣體結(jié)構(gòu),，是目前宇宙中探測到的最大的原子氣體結(jié)構(gòu),。“中國天眼”也成為唯一一個(gè)能探測到如此稀薄氣體的望遠(yuǎn)鏡,。

利用“中國天眼”,，由中國科學(xué)院國家天文臺研究員徐聰領(lǐng)導(dǎo)的國際團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)尺度約為200萬光年的巨大原子氣體結(jié)構(gòu)，位于著名致密星系群“斯蒂芬五重星系”,，比銀河系大20倍,，是迄今為止在宇宙中探測到的最大的原子氣體結(jié)構(gòu)。10月19日,，該成果在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志發(fā)表,。

宇宙天體的起源離不開原子氣體

天體物理中非常重要的一項(xiàng)研究，就是觀測宇宙中的氣體,。宇宙中所有天體的起源,，都離不開原子氣體。例如,，星系主要的演化過程就是不斷從宇宙空間吸收原子氣體,，然后將其轉(zhuǎn)化為恒星。

團(tuán)隊(duì)成員之一,、中科院國家天文臺研究員程誠介紹：“我們看到的所有的天體,，比如恒星，它們的源頭最終都會歸結(jié)到中性原子氫氣體,。”

此外,，研究氣體本身也非常重要。對此,，程誠進(jìn)一步解釋：“比如,，有的恒星形成時(shí)，它不是來自原子氫,，而是來自分子氫,。那么，原子氫是怎么變成分子氫的,？分子氫的密度為何會越來越高,？還有，這些原子氫等重子物質(zhì)是如何匯聚到星系的中心區(qū)域,，然后漸漸形成恒星變成星系的,？這些問題對于研究天體演化的各種階段都非常關(guān)鍵,。”

通過射電天文波段，天文學(xué)家能夠?qū)τ钪嬷械脑託怏w進(jìn)行直接觀測,。“中國天眼”是當(dāng)今世界口徑最大,、靈敏度最高的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，其所擁有的超高靈敏度,，能夠探測到遠(yuǎn)離星系中心的極其稀薄的彌散原子氣體所發(fā)出的暗弱輻射,。

經(jīng)過研究分析，科研團(tuán)隊(duì)最終選中了著名致密星系群“斯蒂芬五重星系”進(jìn)行觀測,。自1877年被法國天文學(xué)家斯蒂芬發(fā)現(xiàn)后,，“斯蒂芬五重星系”便是天文學(xué)領(lǐng)域最受關(guān)注的星系群，也成為韋布空間望遠(yuǎn)鏡第一批觀測并首次向公眾展示的5個(gè)目標(biāo)之一,。

程誠說：“此前,，也有其他國家的望遠(yuǎn)鏡對這個(gè)星系群區(qū)域觀測過多次，但那些望遠(yuǎn)鏡的靈敏度都不夠高,，所以觀測結(jié)果都不理想,。我們期望能夠突破以往的觀測極限。”

“中國天眼”是唯一能探測到如此稀薄氣體的望遠(yuǎn)鏡

宇宙中星系相互作用以及它們中間氣體的來源一直是天文學(xué)中的重要問題,，“中國天眼”是研究這個(gè)問題的“利器”,。

由徐聰領(lǐng)導(dǎo)的、以中科院南美天文研究中心為主的國際團(tuán)隊(duì)包括了國內(nèi)外一流的紅外和射電天文專家,，他們都有豐富的多波段研究經(jīng)驗(yàn),。在“中國天眼”對國際天文界開放申請的第一季，該團(tuán)隊(duì)便提交了觀測申請,，并通過評審得到了觀測時(shí)間,。

徐聰說：“我們的科學(xué)目標(biāo)是將‘中國天眼’發(fā)揮到極致，探測到宇宙中最稀薄的氣體,，研究星系中的氣體最遠(yuǎn)來自宇宙中何處,。”

在天文觀測中，出現(xiàn)噪聲在所難免,。為了能夠達(dá)到觀測目標(biāo),，“中國天眼”的調(diào)試人員不斷改進(jìn)、提高“中國天眼”的靈敏度并壓制噪聲,，終于在2021年10月將其靈敏度調(diào)試到極限,，成功觀測到“斯蒂芬五重星系”周圍極稀薄的氣體。

程誠說：“前后觀測大概只用了一個(gè)月的時(shí)間,，望遠(yuǎn)鏡的總曝光時(shí)間是22小時(shí),。這個(gè)時(shí)間可以說是特別快，超出了我們的預(yù)期。”

在這次觀測中,，“中國天眼”的接收機(jī)表現(xiàn)也特別出色,。

“接收機(jī)接收信號時(shí)就有點(diǎn)像收音機(jī)調(diào)臺，我們要的中性氫的輻射就恰好在1.39GHz附近,，我們就需要在這個(gè)頻段附近找信號,。有些望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)的頻段范圍窄，但‘中國天眼’接收機(jī)接收信號的頻率覆蓋范圍很寬,，效率就很高,。”

讓科研團(tuán)隊(duì)吃驚的是，這些氣體延展到了星系外200萬光年的地方,，是有史以來天文觀測到的宇宙中最大的原子氣體結(jié)構(gòu),，“中國天眼”也成為唯一一個(gè)能探測到如此稀薄氣體的望遠(yuǎn)鏡。

對研究星系及其氣體在宇宙中的演化提出挑戰(zhàn)

“中國天眼”的這項(xiàng)最新發(fā)現(xiàn),，揭示了在遠(yuǎn)離該星系群中心的外圍空間,，存在大尺度的低密度原子氣體結(jié)構(gòu),。

徐聰說：“這些原子氣體結(jié)構(gòu)的形成很可能與‘斯蒂芬五重星系’早期形成時(shí)星系間相互作用的歷史有關(guān),，可能已經(jīng)存在了大約10億年。”

程誠告訴記者,，此前也有觀測到過這類中性原子氫的彌散系統(tǒng),，但都是一個(gè)星系附近有一個(gè)中性原子氫結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，形狀像尾巴一樣,。“我們原本的預(yù)期是希望利用中性原子氫的彌散分布情況來理解星系群并合的歷史,。我們曾設(shè)想，也許有些中性氫是被甩出來到星系邊緣,，但當(dāng)我們看到在星系外圍有一個(gè)這么大的原子氣體結(jié)構(gòu)時(shí),，我們便猜測，也許有一個(gè)星系的中性原子氫被徹底剝離出來了,。”程誠說,。

徐聰介紹，本次成果預(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),，“這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)對研究星系及其氣體在宇宙中的演化提出了挑戰(zhàn),，因?yàn)楝F(xiàn)有理論很難解釋為什么在如此漫長的時(shí)間里，這些稀薄的原子氣體仍沒有被宇宙空間中的紫外背景輻射電離,。”

“中國天眼”的運(yùn)行,，為研究宇宙中天體的起源打開了一個(gè)嶄新窗口，后續(xù)可以利用本次觀測結(jié)果,，對紫外背景輻射電離進(jìn)行更多探索,。

（原標(biāo)題：我科學(xué)家發(fā)現(xiàn)目前宇宙中最大的原子氣體結(jié)構(gòu) “中國天眼”，看見更遠(yuǎn)星河（科技自立自強(qiáng)））

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