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今年 10 月，中國科學院國家天文台利用“中國天眼”500 米口徑球麵射電望遠鏡（以下簡稱 FAST）探測到了宇宙中目前已知最大的原子氣體(ti) 結構。該成果於(yu) 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(ti) 報道都強調其“預示著宇宙中可能存在更多這樣大尺度的低密度原子氣體(ti) 結構”，但這還遠遠不足以說明這項研究的意義(yi) 。

為(wei) 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麽(me) ？

這項成果簡單來說，就是我們(men) 課題組用 FAST 看到了一朵雲(yun) ，很大的一朵雲(yun) 。這朵“雲(yun) ”是一個(ge) 大約兩(liang) 百萬(wan) 光年尺寸的中性氫氣體(ti) 結構，比我們(men) 所在的銀河係大二十多倍。

從(cong) 左上角順時針方向分別為(wei) ：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(xing) 趣的是，這朵“雲(yun) ”的發現，將幫助我們(men) 人類進一步理解一個(ge) 非常重要的星係群的星係並合曆史。

這個(ge) 星係群叫做“斯蒂芬五重星係”，是 1877 年被法國天文學家愛德華·斯蒂芬（Édouard Stephan）用 80 厘米口徑望遠鏡發現的、由 5 個(ge) 亮星係和附近的一些矮星係組成的致密星係群，其名字中的“五重”就是指最初觀測到的 5 個(ge) 亮星係。不過，後續觀測發現，這 5 個(ge) 亮星係中的 NGC7320 是前景星係，斯蒂芬五重星係的星係群實際上主要由 NGC7319，NGC7318b，NGC7318a，NGC7317 這 4 個(ge) 亮星係組成。

其中，NGC7318b 正在以大約 1000km/s 的速度撞入此前存在的星係群際介質中，後者是由於(yu) 星係群中其它星係相互碰撞而產(chan) 生的。也就是說，在斯蒂芬五重星係存在著複雜的星係相互作用，以及由此引發的一係列觀測現象，比如大尺度的激波、星係群際介質恒星形成、長潮汐尾上的恒星形成、活動星係核外流等等。

由於(yu) 斯蒂芬五重星係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(guan) 注的星係群，是研究星係碰撞、並合、星係際介質、潮汐等過程的重要樣本。

在星係群相關(guan) 研究中，一個(ge) 非常重要的問題是這些星係的相互作用曆史，也就是星係並合曆史。但是，因為(wei) 斯蒂芬五重星係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，此次借助 FAST 對斯蒂芬五重星係天區展開的中性氫分布觀測就非常重要了——中性氫是最輕的原子和最常見的重子物質，可能會(hui) 在星係並合早期就被剝離到星係群外圍，了解星係群中的中性氫分布，尤其是彌散在星係群外圍區域的中性氫觀測數據，將非常有助於(yu) 約束現有的並合曆史模型。

02

FAST 隻用 22.4 小時完成觀測

斯蒂芬五重星係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，這些觀測都隻探測到星係群中心約 70 平方角分區域中的幾個(ge) 大質量星係附近的氫原子分布，觀測數據主要用於(yu) 研究星係群中的中性氫輻射，數據的靈敏度不足以探測到更延展的中性氫輻射。

我們(men) 課題組申請並得到了 FAST 的觀測時間，對斯蒂芬五重星係方向約 700 平方角分天區做了中性氫觀測，足以覆蓋到星係群中更外圍的區域和星係群附近的一些矮星係。

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(ti) 。FAST 的十九波束接收機覆蓋的天區麵積也大，一次觀測就能得到 19 個(ge) 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(men) 隻用了 22.4 個(ge) 小時就完成了這一天區 304 個(ge) 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(ti) 。

FAST 探測到的在著名致密星係群“斯蒂芬五重星係”周圍天區中的原子氣體(ti) 分布（用紅色光暈顯示；光暈越薄表示氣體(ti) 柱密度越低）。圖中背景為(wei) 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。斯蒂芬五重星係位於(yu) 圖像中間。嵌入圖是韋布空間望遠鏡最近發布的紅外波段彩圖。斯蒂芬五重星係是韋布空間望遠鏡第一批觀測並首次向公眾(zhong) 展示的五個(ge) 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(men) 觀測到的“這朵雲(yun) ”很稀薄，而如此稀薄的中性氫很可能會(hui) 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(yu) 是，從(cong) 理論的角度來說，我們(men) 觀測到的這團氣體(ti) 是如何產(chan) 生的，和斯蒂芬五重星係的關(guan) 聯是什麽(me) ，這些氣體(ti) 以後會(hui) 如何演化，是不是星係群形成的時候經常會(hui) 產(chan) 生類似的原子氣體(ti) 結構，都是很值得仔細探討的問題。

而從(cong) 觀測的角度來說，這種大尺寸的中性氫氣體(ti) 係統有多少，是不是更容易出現在致密星係群附近，會(hui) 不會(hui) 在其它天體(ti) 係統附近出現，也都是可以借助 FAST 超高的靈敏度和觀測效率來繼續研究的課題。 我們(men) 也在嚐試以類似的靈敏度觀測一些近鄰星係，期望探測到更多類似的現象。

拿我們(men) 這篇文章的幾位歐洲合作者來舉(ju) 例，他們(men) 有針對斯蒂芬五重星係的豐(feng) 富的數值模擬經驗，然而他們(men) 此前的數值模擬並沒有考慮原子氣體(ti) 和氣體(ti) 的電離、複合過程。所以，現在歐洲團隊正在努力從(cong) 數值模擬的角度，結合這次新的觀測數據來還原這些星係的並合曆史。

同時，我們(men) 課題組現有的中性氫數據也探測到了這個(ge) 星係群附近的幾個(ge) 矮星係的中性氫輻射。在 2021 年底，我們(men) 還曾借助麗(li) 江兩(liang) 米四光學望遠鏡，成功認證了一個(ge) 距離星係群約 80 萬(wan) 光年遠的星係光譜紅移。正是結合了過往和當前的研究，我們(men) 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(men) 又申請得到了一些麗(li) 江兩(liang) 米四光學望遠鏡的光譜觀測時間，希望能結合矮星係的光學和射電觀測數據來限製星係群附近的衛星星係的恒星形成曆史，理解矮星係在星係群演化中的作用。

總而言之，在《自然》雜誌發表成果還隻是開始。未來，“這朵雲(yun) ”可以啟發我們(men) 對宇宙裏的天體(ti) 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(men) 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(men) 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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