早期星系被巨大氢云环绕, 天文学家有新发现

这幅插图描绘了早期宇宙中一个类星体周围的气体晕。图片来源：M.科恩梅瑟欧洲南方天文台

根据目前被广泛接受的宇宙起源理论——大爆炸宇宙学与ΛCDM模型，科学家推断，中性氢气体云曾广泛弥漫于宇宙之中。在此基础上，第一批恒星与星系在随后数亿年间迅速形成，这一关键演化阶段被天文学家与宇宙学家称为宇宙黎明。长期以来，理论还进一步提出，这些早期星系周围包裹着巨大的中性氢气体晕，即所谓的莱曼α云。

理论上，这些星系要如此迅速地形成，需要大量氢气储备。然而直到最近，天文学家仅发现了几千个此类气体云。如今，一个天文学家团队利用得克萨斯大学奥斯汀分校麦克唐纳天文台的霍比埃伯利望远镜暗能量实验（HETDEX）的数据，发现了数万个存在于100亿至120亿年前的晕结构，这一时期恰逢宇宙黎明。

这项研究由霍比埃伯利望远镜暗能量实验（HETDEX）数据管理员艾琳门图赫库珀（ErinMentuchCooper）和HETDEX首席研究员、得克萨斯大学奥斯汀分校天文学系主任卡尔格布哈特（KarlGebhardt）领导。参与研究的还有来自引力与宇宙研究所（IGC）、卡弗里宇宙物理与数学研究所（IPMU）、日本国立天文台（NAOJ）、莱布尼茨波茨坦天体物理研究所（AIP）以及多所大学的研究人员。描述他们研究结果的论文最近发表在《天体物理学杂志》上。

得克萨斯州奥斯汀市郊外的霍比埃伯利望远镜暗能量实验（HETDEX）。图片来源：HETDEX得克萨斯大学奥斯汀分校

HETDEX旨在在其三年的标称任务期间绘制超过一百万个星系的位置，以测量暗能量的影响。通过将数千个遥远星系的光谱进行统计叠加（一种称为堆叠的技术），研究人员能够探测到在单个星系中原本无法察觉的极微弱光谱特征。虽然氢气本身极难探测，因为它不发光，但在明亮的紫外辐射星系和恒星附近，它会发出荧光。

探测这种辉光需要一座配备精密仪器的专用天文台，这些仪器能够对同一片天空区域进行监测。霍比埃伯利望远镜是世界上最大的望远镜之一，博士后研究员达斯汀戴维斯说道，他是HETDEX项目的科学家，也是该研究的共同作者。而且HETDEX所使用的仪器每次观测能产生10万条光谱。所以，我们拥有海量的数据，有各种各样有趣、奇妙的事物等着我们去发现。

此前的巡天观测仅探测到数千个暗晕（约3000个），因为其仪器灵敏度不足，只能探测到最明亮的样本。此外，对早期星系的观测需借助强引力透镜效应进行显著放大，以削弱大量前景天体的干扰，从而仅使最小尺度的暗晕得以显现。正因如此，介于极小暗晕与极端大质量暗晕之间的中间尺度暗晕，长期以来始终未能被天文观测所捕获。

我们过去二十多年一直在分析同一小部分天体，库珀说。HETDEX让我们能够发现更多这样的晕，并测量它们的形状和大小。它真正帮助我们创建了一个出色的统计目录。到目前为止，HETDEX已经识别出160万早期星系，研究团队选择了其中最明亮的7万个，然后由德克萨斯高级计算中心（TACC）的超级计算机进行分析，以寻找周围晕的迹象。

在HETDEX数据中发现的一个巨大氢气晕，叠加显示于詹姆斯韦布太空望远镜（JWST）深度成像所呈现的该天体位置之上。图片来源：ErinMentuchCooper（HETDEX）；NASAESACSASTScI（JWST）。

近一半的候选天体确实如此，但库珀及其团队怀疑，最暗弱的星系系统亮度不足以揭示它们的真实大小。除了使已知的氢气晕数量增加至原来的10倍（从约3000个增加到33000个）之外，这项研究还扩大了已知氢气晕的大小范围。新发现的氢气晕直径从数万光年到数十万光年不等，它们包裹着单个星系和星系团。

我们不仅收集了这些星系的近半拍字节数据，还收集了星系间区域的数据，格布哈特说，我们的观测覆盖了一片相当于2000多个满月大小的天空区域。其规模巨大且前所未有的。这不仅证实了这些光晕并非罕见现象，还为研究早期宇宙的天文学家提供了更具代表性的样本。该团队希望他们的发现能帮助科学家研究早期宇宙是如何演化的，并对支配氢光晕的物理学和力学进行更详细的研究。

BY: Matthew Williams

FY: AI