“中国天眼”发现比银河系大20倍原子气体结构意义何在？

核心要点:

斯蒂芬五重星系中的四个星系红移大致一样，而另一个星系的红移要比其它四个小很多。在天空的二维空间里，这五个星系是在一起的。但在三维空间里，其实只有四个星系在一起，另一个其实和它们相距很远，是一个前景星系。

在斯蒂芬五重星系里，有一个尺寸约为十几万光年的激波，相当于两个银河系那么大，是迄今已探明的星系之间存在的最大激波。

“中国天眼”FAST是现今口径最大、灵敏度最高的单口径射电望远镜，借助其对氢原子气体的观测，可以进一步研究天体的形成和发展历史。

徐聪团队此次关于迄今最大尺度且为低密度的氢原子气体结构的发现，或将对以往传统关于星系的认识产生重大甚至是颠覆性的影响。

近日，由中国科学院国家天文台研究员徐聪领导的国际团队，利用“中国天眼”FAST对致密星系群斯蒂芬五重星系及周围天区的氢原子气体进行成像观测，发现了1个尺度约为2百万光年的巨大且稀薄的原子气体结构，这是迄今为止在宇宙中探测到的最大的原子气体结构。

斯蒂芬五重星系有何特点？它为何备受天文研究关注？“中国天眼”FAST在天文观测中强在哪里？我们为什么需要研究氢原子气体？此次发现又会带来哪些影响？北京新闻广播主持人段玉龙与徐聪为您解答！

特殊的低红移：斯蒂芬五重星系

曾引发天文界的巨大争论

段玉龙：斯蒂芬五重星系究竟有什么特点？我们为什么要研究它呢？

徐聪：史蒂芬五重星系是在星系群里最早被发现的。它在1877年，被法国天文学家爱德华·史蒂芬发现。

我们现在知道这五个星云其实是五个星系，其中有四个星系的哈勃退行速度是大致一样的。而另一个星系的哈勃退行速度与其他四个星系相比相差大约十倍。

在天文学上，有一个术语将这种哈勃退行速度定义为红移。这和多普勒效应有点像，当一个物体离我们而去的时候，从它上面发出的光的波长就会向红端移动，所以叫红移。

十倍的红移差别，说明这一个星系和其它四个星系其实不在一个红移上。而按照大爆炸理论，红移和距离成正比，这也说明这个星系和其它四个星系不在一个距离上。

所以，在天空的二维空间里，这五个星系是在一起的。但在三维空间里，其实只有四个星系在一起，另一个其实和它们相距很远，是一个前景星系，它离地球的距离要比其他四个星系小很多。

哈勃太空望远镜拍摄的斯蒂芬五重星系（图源：NASA, ESA, CSA, STScI ）

这个事情现在已成定论，可这样的说法在上世纪60年代却被严重挑战过。挑战方在当时都是一些非常有名的天文界大佬。他们的一个共同点就是不相信大爆炸理论，而是相信永恒宇宙、均匀宇宙这类理论。

例如，曾担任英国皇家天文学会会长的弗雷德·霍伊尔、英国著名天文学家杰弗瑞·罗纳德·伯比奇等人。霍伊尔在1983年差一点获得诺贝尔物理学奖。当时的领军人物叫“奇谱”阿尔普，是非常有名的“阿尔普特殊星系表”的作者。

而在60年代，正好类星体刚刚被发现。这些类星体都有非常大的红移，而且看起来很亮。所以，如果按照大爆炸理论，它们的大红移说明它们离我们距离很远。它们的亮度说明它们的光度非常强。

段玉龙：这么亮的光度，它的能源是什么？它的能量是从哪儿来的？

徐聪：现在我们知道，类星体的能量是中心黑洞对物质的吸积放出大量引力能造成的。

可是在当时，这个理论还没有被普遍接受。阿尔普有自己的理论，即类星体的红移与距离没有关系，他不承认大爆炸理论。他认为类星体就是一团从星系核中间喷出来的特殊物质，大红移本身是它的一个特殊性质，这个红移会随着这团物质的年龄增长而变得越来越小。

阿尔普对斯蒂芬五重星系里的低红移星系的解释是什么呢？他说，这个星系是从另一个星系的星系核中喷出来特殊物质，现在已经很老了，所以它的红移就相当小。

正因为这个所谓的“非宇宙红移”假说，使得斯蒂芬五重星系在60年代左右对正反两边学派的天文学家都非常有吸引力，受到大家的广泛关注。

迄今已探明的最大激波：斯蒂芬五重星系

吸引天文界关注的“魅力”所在

徐聪：在上世纪80年代，斯蒂芬五重星系又一下“红”了起来。因为一个荷兰天文学家荣·阿伦发现，在斯蒂芬五重星系里有一个非常大的激波。这个激波的尺寸大概是十几万光年，相当于两个银河系的尺寸那么大。到现在为止，这个激波仍然是星系之间已探明的存在的最大的激波。这样的一种激波，在近邻宇宙是非常非常少见的，在早期宇宙应该是比较多见的。

韦布太空望远镜拍摄的斯蒂芬五重星系（图源：NASA, ESA, CSA, STScI ）

激波本身可以告诉我们很多事情。比如气体的性质、气体从什么地方来、气体将来有没有可能产生恒星……如果这样的激波在早期宇宙的时候经常出现，那么，我们就想了解一下它对这个星系演化形成会有什么样的影响。

在别处看不到这样的激波，斯蒂芬五重星系提供了一个非常好的实验室来研究这些激波。因此，斯蒂芬五重星系从那以后又非常受关注。

大口径与高灵敏度：

“中国天眼”FAST在观测中的“功劳”

段玉龙：正是因为激波这个现象出现时所放出来的相关信号可以在FAST望远镜当中观测到，所以我们使用FAST望远镜来观测斯蒂芬五重星系吗？

徐聪：还不是。说到射电波段，其实有两种电波是我们要研究的。一种就是所谓的连续谱的电波，可以直接探测到激波的是连续谱的电波。

连续谱的电波经常是由同步加速辐射造成的。要有同步加速辐射就必须要有相对论电子，激波会产生这样的相对论电子；然后还要有电磁场，相对论高能电子在磁场里运转就会产生同步加速辐射。

还有一种光波，在射电波段不是连续发射的，而是一条一条波段非常窄的射线。

氢原子在射电波段里有一条非常亮的射线，是21厘米射线。这条21厘米射线对于氢原子来说，是最亮的。它也是我们研究原子气体最重要的手段，也就是在射电波段观测这条21厘米的氢原子射线辐射。

而FAST正好在这个波段非常灵敏。

国家天文台FAST观测基地（图源：中国科学院国家天文台官网）

另外，FAST现在装了一个叫作19波束的接收机。所谓19波束，就是有19个探测器在一个接收机上，它能同时指向天空中19个不同的点。所以，用19波速探测器来对氢原子射线辐射做成像观测是非常有效率的。

正因为它既灵敏又高效，我们这次观测只花22小时就做到了对一个直径大概30角分的天区的深覆盖。

30角分是什么概念呢？差不多是一个满月那么大的一块天区。而这样的一个实验，如果用以前的设备来观测的话，一般都要好几个月才能完成。

从激波到天体形成演化：

氢原子气体观测研究的必要与重要

段玉龙：我们为什么要观测那个地方的氢原子气体？通过观测得出了什么结论？

徐聪：首先说说，我们为什么要观测氢原子气体。因为刚才说到，我们想研究激波，可是要研究激波就必须要知道激波是怎么形成的以及它形成时的初始条件。

这些初始条件和当时的情况，与斯蒂芬五重星系的形成和发展历史都有关系。

国家天文台FAST观测基地（图源：中国科学院国家天文台官网）

为什么氢原子的分布和运动能够提供这样的信息？因为氢原子在星系里面和在星系外面都是比较松散的。氢原子比较稀薄，不像其它的东西，比如恒星就很重，要让它运动起来不是那么容易。当两个星系相互作用的时候，最先受到扰动的就是这些氢原子气体。

如果我们现在探测斯蒂芬五重星系周围的这些稀薄的氢原子气体，我们就能得到这个星系群形成早期的相互作用的历史。因为这些历史在这些结构、运动、分布和速度场里都可以体现出来。

那么我们就想，如果我们把这些数据拿到后再把它输入到我们的模拟计算的模型里，我们的模拟计算就会更精确。我们当时就是这样的想法，就把观测报告提交上去了，也得到了观测时间。

颠覆传统的观测结果：

大尺度低密度的气体结构存在于星系周围

段玉龙：此次观测最后得出来的结果是怎样的？

徐聪：这次我们在《自然》杂志上发表的成果，我们发现了一个大约两百万光年的氢原子结构正在远离斯蒂芬五重星系中心的地方，而且这个结构的气体非常稀薄。目前来看，这个结构是我们天文界发现的星系周围最大的一个氢原子结构。按照现在的理论来看，这样大尺度且低密度的氢原子气体结构是不应该存在的。

（图源：中国科学院国家天文台官网）

不断吸收氢原子气体：

宇宙中星系的演变过程

段玉龙：能不能跟大家简单介绍一下宇宙中星系的演变过程？

徐聪：其实，星系的演化过程就是一个不断从宇宙空间中吸收氢原子气体，然后再把它们变成恒星的过程。

从恒星形成的历史来看，恒星是从非常致密的分子气体里产生。这些分子气体又得从比较稀薄的氢原子气体里来。由于氢原子气体冷却以后，或者是不稳定性地坍缩以后，会成为非常致密的分子气体核，这些气体核会产生恒星。

我们所讨论的宇宙间的天体，星系、恒星等都是最基本的东西，它们都和氢原子气体直接相关。可以说，氢原子气体是这些天体形成的基础和源泉。

中红外仪器展示下的斯蒂芬五重星系（图源：NASA, ESA, CSA, STScI ）

段玉龙：那是不是说明我们去研究这些氢原子气体，对于我们更好地了解宇宙的演化、天体形成的细节等一些基本规律非常有帮助？

徐聪：可以这样说。其实，在现代宇宙学尤其是星系演化理论中非常重要的一环，就是研究氢原子气体。但它不是特别容易研究，到现在为止，射电波段的相关设备还在完善当中。

专家信息

1 段玉龙 中国科普作家协会理事、北京科普宣传大使

2 徐聪 中国科学院国家天文台研究员

内容来源：本文由北京新闻广播《照亮新闻深处》与腾讯新闻《一起来唠科》共同出品

责编：陈佳丽（实习）

监制：刘萤萤