宇宙是怎麼變“重”的？

中青報·中青網記者 葉雨婷 實習生 孫少卿 來源：中國青年報 （ 2021年10月26日 12 版）

宇宙浩瀚無窮，它在138.2億年前誕生，在大爆炸中碰撞出元素的火花，在漫長的時光中沉澱出星空的璀璨。

宇宙中的星球有尺寸之分，星系有年齡之別，而其中的元素也有輕重之差。科學研究表明，宇宙誕生之初，只存在氫、氦、鋰等輕元素，如今的宇宙中卻普遍存在着碳、氮、氧等重元素。這些重元素是從哪裏來的？

近日，清華大學天文系教授蔡崢課題組通過觀測發現，早期宇宙星際間重元素的起源，與大質量星系有着密不可分的關係。該研究成果已於近日發表在國際學術期刊《自然·天文》，為宇宙星際空間重元素起源之謎提供了新的見解。

宇宙中的絕大部分物質並不集中在星系裏，而在星系之間。這部分彌散在星系間廣袤空間裏的物質，被稱為星系際介質。天文學家利用類星體光譜發現，在大爆炸僅9億年後，星系際介質中就已經存在重元素了。

對這一現象，蔡崢給出了一個生動的比喻：“這就好比我們在一望無際的太平洋裏航行時，突然發現水中有大量的水銀一樣。我們一定會覺得很奇怪，這些汞是哪裏來的，是不是附近有船泄露了汞？”

為什麼會莫名其妙地出現了重元素，它們又是如何進入星系際介質的？蔡崢表示，這些至今仍是觀測宇宙學的關鍵問題。

2021年4月，國際學術期刊《科學》聯合上海交通大學發佈了增刊《125個科學問題——探索與發現》，“宇宙中重元素的起源問題”就位列其中。

一種假説認為，早期星系際介質中的重元素，主要是被小質量星系的恆星星風，或活動星系核反饋拋射到宇宙中的；微小星系的活動，似乎也是星系際介質重元素起源的原因。為了證明這一猜想，天文學家進行了大量的光學觀測。

然而，小質量星系亮度低，觀測受星際塵埃影響大，大多數光學波段的搜尋和探索都無功而返。

蔡崢團隊利用ALMA陣列（阿塔卡瑪大型毫米波天線陣列）射電望遠鏡開展了全波段探測。

他告訴中青報·中青網記者：“ALMA陣列位於智利北部的高原地區，當地氣候乾燥，是一個100多年都沒有下過一滴雨的地方。再加上海拔5000米，空氣稀薄，這裏的天空特別乾淨，能夠把地球大氣對觀測的影響降到最小。這樣，我們就能夠看到更遠的地方。”

團隊發現，宇宙紅移6.04處的類星體J2054-0005所發射的光束，在途經距離地球125億光年外的某區域時，出現了比較明顯的氧吸收現象。

蔡崢説，“如果現有的理論是正確的——重元素是由微小星系活動產生的，我們就不應該看到氧吸收體周圍的星系。因為小質量星系亮度很低，距離如此遙遠，可能怎麼曝光都無法探測到。這就好比在北京點一支蠟燭，卻在天津拿望遠鏡觀察一樣，我們是很難觀察到微小星系的信息的。”

他認為：“與傳統理論預言的小星系完全不符，我們觀測到了一個非常明亮的大質量星系，在向宇宙中拋出大量氧等重元素！”

在進行數據分析和處理後，團隊發現一個巨大星系，它位於這些宇宙早期星系際介質中的氧元素附近，星系與氧吸收體的距離約6萬光年，這個距離尺度意味着，氧吸收體位於該巨大星系的暗物質暈邊緣。

蔡崢和學生吳昀荊將該星系與理論上的數值模擬進行對比，發現該候選星系的質量要比理論預言的重1-2個數量級，該星系與其吸收體的距離，也超出理論預測的1個量級。

“這清晰地證明，宇宙早期星系際介質中的重元素，也許並不全部起源於小星系的活動，來自巨大星系的貢獻，很可能比先前科學界所認為的重要得多。”蔡崢説。

團隊還發現，巨大星系通過反饋作用，能夠將重元素“拋”到非常遠的距離。星系際介質中的重元素，距離候選的大質量星系有10萬光年的距離。而宇宙早期巨大的星系直徑，也不過是2萬光年左右。

“通過這樣的比較，我們可以感受到大質量星系所具有的巨大‘力量’，以及它對於宇宙早期重元素形成的重要作用。”蔡崢説。

2021年10月26日 12 版