登上《自然》雜誌！作者親自解讀：“中國天眼”看見的一團“雲”有多重要？_風聞

今年 10 月，中國科學院國家天文台利用“中國天眼”500 米口徑球面射電望遠鏡（以下簡稱 FAST）探測到了宇宙中目前已知最大的原子氣體結構。該成果於北京時間 2022 年 10 月 19 日 23 點在國際學術期刊《自然》雜誌上發表[1]，媒體報道都強調其“預示着宇宙中可能存在更多這樣大尺度的低密度原子氣體結構”，但這還遠遠不足以説明這項研究的意義。

為此，科普中國特別邀請論文第二作者程誠老師執筆，帶來獨家深入解讀。

01

天文學家到底幹了什麼？

這項成果簡單來説，就是我們課題組用 FAST 看到了一朵雲，很大的一朵雲。這朵“雲”是一個大約兩百萬光年尺寸的中性氫氣體結構，比我們所在的銀河系大二十多倍。

從左上角順時針方向分別為：NGC7320、NGC7319、NGC7318（a和 b）、NGC7317。圖片來源：esahubble.org

大，還不是這一發現激動人心的主要原因。天文學界更感興趣的是，這朵“雲”的發現，將幫助我們人類進一步理解一個非常重要的星系羣的星系併合歷史。

這個星系羣叫做“斯蒂芬五重星系”，是 1877 年被法國天文學家愛德華·斯蒂芬（Édouard Stephan）用 80 釐米口徑望遠鏡發現的、由 5 個亮星系和附近的一些矮星系組成的緻密星系羣，其名字中的“五重”就是指最初觀測到的 5 個亮星系。不過，後續觀測發現，這 5 個亮星系中的 NGC7320 是前景星系，斯蒂芬五重星系的星系羣實際上主要由 NGC7319，NGC7318b，NGC7318a，NGC7317 這 4 個亮星系組成。

其中，NGC7318b 正在以大約 1000km/s 的速度撞入此前存在的星系羣際介質中，後者是由於星系羣中其它星系相互碰撞而產生的。也就是説，在斯蒂芬五重星系存在着複雜的星系相互作用，以及由此引發的一系列觀測現象，比如大尺度的激波、星系羣際介質恆星形成、長潮汐尾上的恆星形成、活動星系核外流等等。

由於斯蒂芬五重星系中的相互作用非常熱鬧，它自發現以來就一直就成了最受關注的星系羣，是研究星系碰撞、併合、星系際介質、潮汐等過程的重要樣本。

在星系羣相關研究中，一個非常重要的問題是這些星系的相互作用歷史，也就是星系併合歷史。但是，因為斯蒂芬五重星系的相互作用比較複雜，不同課題組的數值模擬結果不盡相同，且都無法解釋現有的全部觀測結果。

因此，此次藉助 FAST 對斯蒂芬五重星系天區展開的中性氫分佈觀測就非常重要了——中性氫是最輕的原子和最常見的重子物質，可能會在星系併合早期就被剝離到星系羣外圍，瞭解星系羣中的中性氫分佈，尤其是彌散在星系羣外圍區域的中性氫觀測數據，將非常有助於約束現有的併合歷史模型。

02

FAST 只用 22.4 小時完成觀測

斯蒂芬五重星系這一天區曾被阿雷西博射電望遠鏡、綠岸射電望遠鏡、甚大陣做過大約四次射電觀測，這些觀測都只探測到星系羣中心約 70 平方角分區域中的幾個大質量星系附近的氫原子分佈，觀測數據主要用於研究星系羣中的中性氫輻射，數據的靈敏度不足以探測到更延展的中性氫輻射。

我們課題組申請並得到了 FAST 的觀測時間，對斯蒂芬五重星系方向約 700 平方角分天區做了中性氫觀測，足以覆蓋到星系羣中更外圍的區域和星系羣附近的一些矮星系。

FAST 的靈敏度很高，而且這種單口徑射電望遠鏡非常適合探測這種彌散的中性氫氣體。FAST 的十九波束接收機覆蓋的天區面積也大，一次觀測就能得到 19 個位置的數據，因此 FAST 可以以很高的觀測效率和靈敏度探測這一天區的中性氫輻射，是非常適合這一課題的望遠鏡。

在 2021 年秋天，我們只用了 22.4 個小時就完成了這一天區 304 個位置的射電觀測，也成功探測到這“朵”巨大而且稀薄的氫原子氣體。

FAST 探測到的在著名緻密星系羣“斯蒂芬五重星系”周圍天區中的原子氣體分佈（用紅色光暈顯示；光暈越薄表示氣體柱密度越低）。圖中背景為用加拿大-法國-夏威夷望遠鏡觀測的 U，G，R 光學波段數據合成的假彩色圖。斯蒂芬五重星系位於圖像中間。嵌入圖是韋布空間望遠鏡最近發佈的紅外波段彩圖。斯蒂芬五重星系是韋布空間望遠鏡第一批觀測並首次向公眾展示的五個目標之一，其重要性由此可見一斑（圖片來源：NASA、ESA、CSA、STScI)。

03

“大尺度”的背後，

這些問題更重要

我們觀測到的“這朵雲”很稀薄，而如此稀薄的中性氫很可能會被宇宙的紫外背景輻射電離，因此這種彌散的中性氫結構是很難長期存在的。於是，從理論的角度來説，我們觀測到的這團氣體是如何產生的，和斯蒂芬五重星系的關聯是什麼，這些氣體以後會如何演化，是不是星系羣形成的時候經常會產生類似的原子氣體結構，都是很值得仔細探討的問題。

而從觀測的角度來説，這種大尺寸的中性氫氣體系統有多少，是不是更容易出現在緻密星系羣附近，會不會在其它天體系統附近出現，也都是可以藉助 FAST 超高的靈敏度和觀測效率來繼續研究的課題。 我們也在嘗試以類似的靈敏度觀測一些近鄰星系，期望探測到更多類似的現象。

拿我們這篇文章的幾位歐洲合作者來舉例，他們有針對斯蒂芬五重星系的豐富的數值模擬經驗，然而他們此前的數值模擬並沒有考慮原子氣體和氣體的電離、複合過程。所以，現在歐洲團隊正在努力從數值模擬的角度，結合這次新的觀測數據來還原這些星系的併合歷史。

同時，我們課題組現有的中性氫數據也探測到了這個星系羣附近的幾個矮星系的中性氫輻射。在 2021 年底，我們還曾藉助麗江兩米四光學望遠鏡，成功認證了一個距離星系羣約 80 萬光年遠的星系光譜紅移。正是結合了過往和當前的研究，我們才能在本次在《自然》雜誌上發表的文章中討論中性氫結構的起源。

今年我們又申請得到了一些麗江兩米四光學望遠鏡的光譜觀測時間，希望能結合矮星系的光學和射電觀測數據來限制星系羣附近的衞星星系的恆星形成歷史，理解矮星系在星系羣演化中的作用。

總而言之，在《自然》雜誌發表成果還只是開始。未來，“這朵雲”可以啓發我們對宇宙裏的天體起源等課題做更深入的研究和思考，FAST 的高靈敏度也給我們帶來更廣闊的窗口來探索宇宙中更彌散的中性氫輻射。讓我們一同期待。

參考文獻：

[1] Xu, C.K., Cheng, C., Appleton, P.N. et al. A 0.6 Mpc H I structure associated with Stephan’s Quintet. Nature 610, 461–466 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05206-x

作者｜程誠 中國科學院南美天文研究中心 副研究員

審核｜韓文標 中科院上海天文台 研究員

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