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翻譯：葛文迪

校對：牧夫校對組

編排：陳宏宇

后臺：朱宸宇

https://aasnova.org/2025/01/08/far-away-fossils-clues-from-a-high-redshift-galaxy/

天文學家在統計當今宇宙中所有普通物質（恒星、星系和氣體）時，發現其數量遠遠低于136億年前大爆炸產生的總物質。實際上，超過一半的普通物質——即宇宙中15%的非暗物質中的一半——無法在我們看到的發光恒星和氣體中得到解釋。

然而，新的測量結果似乎發現了這種缺失的物質，它們以非常稀薄且不可見的電離氫氣的形式存在，這種氣體形成了圍繞星系的暈圈，并且比天文學家此前認為的更加膨脹和廣泛。

這一發現不僅解決了天文觀測與大爆炸以來宇宙演化最佳、經驗證的模型之間的矛盾，還表明星系中心的超大質量黑洞比之前認為的更加活躍，它們噴射出的氣體比預期的遠離星系中心的距離要遠得多——研究團隊發現這一距離大約是之前的五倍。

加州大學伯克利分校的米勒博士后研究員、研究報告的第一作者Boryana Hadzhiyska說： “我們認為，當我們遠離星系時，我們能夠找到所有缺失的氣體。為了更準確地得出結論，我們需要進行仔細的模擬分析，而我們目前還沒有完成這項工作。我們希望把這項工作做到盡善盡美。”

這張概念圖描繪了圍繞銀河系（中心）以及其兩個衛星星系——大麥哲倫云和小麥哲倫云的熱氫氣暈圈。這個暈圈比天文學家最初認為的更加廣泛，并且包含了足夠多的氫氣，可以解決宇宙中缺失的重子質量的問題。圖片來源：NASA/CXC/M.Weiss；NASA/CXC/Ohio State/A Gupta et al

勞倫斯伯克利國家實驗室和加州大學伯克利分校的高級科學家Simone Ferraro說 ：“這些測量結果肯定與發現所有氣體是一致的。”他在三年前發表的分析中已經發現了這種廣泛電離氫暈圈的跡象。

對星系進行疊加分析

雖然仍然神秘的暗物質占據了宇宙中大部分物質（約84%），其余部分則是普通物質。普通物質中只有大約7%以恒星的形式存在，其余部分則以不可見的氫氣形式存在——其中大部分是電離態的——存在于星系以及連接星系的宇宙網絡的絲狀結構中。

這種絲狀網絡中的電離氣體及其相關的電子被稱為溫熱星系際介質，由于其溫度過低且分布過于稀薄，無法通過天文學家通常使用的技術進行觀測，因此直到現在仍然難以捉摸。

在新論文中，研究人員通過對大約700萬個星系的圖像進行疊加分析（所有這些星系都位于距離地球大約80億光年以內），估算出圍繞星系的電離氫的分布，并通過測量宇宙微波背景輻射因被電離氣體中的電子散射而產生的微弱變暗或變亮，即所謂的動力學蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應，來實現這一目標。

為了探測圍繞非常明亮的紅星系的電離氫氣的微弱信號，研究人員將超過一百萬個星系的圖像疊加在一起。這四幅圖像顯示了不同距離地球的星系疊加，僅展示了受電子散射影響的電磁頻率范圍（即動力學蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應）。藍色和綠色代表宇宙微波背景（CMB）輻射的微小溫度變化。黃色中心表示被這些星系周圍廣泛氫氣暈圈散射的CMB光。在可見光下，這些星系將僅顯示為黃色區域中心的幾個像素點。圖片來源：Boryana Hadzhiyska and Simone Ferraro，數據來自DESI和ACT；Hadzhiyska等人

Ferraro說： “宇宙微波背景輻射是我們看到的宇宙中所有事物的背景。它是可觀測宇宙的邊緣。因此，你可以將其用作背景光，來觀察氣體的位置。”

所使用的星系圖像均為亮紅星系，由位于亞利桑那州圖森基特峰國家天文臺的梅亞爾4米望遠鏡上的暗能量光譜儀（DESI）收集。DESI由總部位于伯克利實驗室的合作團隊建造，正在對數千萬個星系和類星體進行觀測，以構建一個覆蓋從地球到110億光年范圍的三維宇宙地圖，從而測量暗能量對宇宙膨脹的影響。

對這些星系周圍的宇宙微波背景（CMB）的測量是由智利的阿塔卡馬宇宙學望遠鏡（ACT）完成的，該望遠鏡在2022年退役之前，完成了迄今為止對CMB最精確的測量。

由阿塔卡馬宇宙學望遠鏡獲取的宇宙微波背景輻射地圖。兩個圓圈標出了電離氫氣散射輻射的區域，這種散射留下了可以用來估算圍繞星系的氣體數量的特征。圖片來源：ACT；《宇宙學與天體粒子物理學雜志》（2017）。DOI:10.1088/1475-7516/2017/06/031

此次分析是與斯坦福大學的研究生Bernardita Ried Guachalla、位于門洛帕克的SLAC國家加速器實驗室的員工科學家Emmanuel Schaan以及DESI和ACT團隊合作完成的。

星系反饋

天文學家通常認為，星系中心的超大質量黑洞僅在其形成階段會以物質噴流的形式噴射氣體，當時中心黑洞正在吞噬氣體和恒星，并產生大量輻射。這使得它們成為天文學家所稱的活動星系核（AGN）或類星體。

如果像這項新研究暗示的那樣，星系周圍的電離氫暈圈比之前認為的更加稀薄，但也更加廣泛，那么這意味著中心黑洞可能在其生命周期的其他階段也會變得活躍。

Hadzhiyska 說：“我們不理解的一個問題是關于活動星系核的，其中一個假設是它們會在所謂的占空比周期中偶爾開啟和關閉。”

天文學家將氣體的噴射及其隨后回落到星系盤的過程稱為反饋，這種反饋會調節整個星系中恒星的形成。Ferraro、Schaan及其同事在2020年之前的報告中已經發現了更廣泛反饋的跡象，當時Schaan是伯克利實驗室的博士后研究員。

但新的研究納入了更多的星系，并得出了更精確的測量結果。隨后，Ried Guachalla通過DESI光譜樣本確認了這些發現，并且能夠研究更靠近我們的星系中的氣體，強調這些氣體并不是均勻分布在星系周圍，而是沿著貫穿宇宙的“宇宙絲狀結構”分布。

DESI合作項目制作了迄今為止最大的宇宙三維地圖，并用它來研究暗能量。在這個可視化圖像中，地球位于中心，每一個點代表一個星系。圖片來源：DESI合作項目以及KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/R.Proctor

Hadzhiyska指出，當前的星系演化模擬需要在其模型中納入這種更強烈的反饋。一些新的模型已經開始這樣做了，以產生更強大且與新數據更一致的模擬結果。

在宇宙中找到缺失的物質（重子）也對宇宙演化的其他方面具有重要意義。

“知道氣體在哪里已經成為從當前和未來的調查中獲取宇宙學信息的最嚴重的限制因素之一。我們有點撞到了這堵墻，現在正是解決這些問題的合適時機。”費拉羅說，“一旦你知道氣體在哪里，你就可以問，‘這對宇宙學問題有什么影響？’”

Hadzhiyska說，從這些大質量星系的核心噴射出的氣體挑戰了氣體跟隨暗物質的假設。低估這種氣體噴射可能會在宇宙學模型中引入不一致，而新的結果實際上可能解決一些關于宇宙結構有多密集的問題。

Hadzhiyska 說：“有很多人對使用我們的測量結果進行非常深入的分析感興趣，這些分析將包括這種氣體。天文學家非常關心這一點，因為它有助于理解星系的形成和演化。”

Hadzhiyska表示，該團隊使用的技術——動力學蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應——也可以用來探測早期宇宙。這可能為科學家提供關于宇宙的大尺度結構以及早期宇宙的物理規律的見解，并使他們能夠對引力和廣義相對論進行檢驗。

責任編輯：郭皓存

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韋伯望遠鏡拍攝的行星狀星云NGC 1514

當一顆恒星耗盡核燃料時會發生什么？對于像太陽這樣的恒星，中心會凝聚成一個白矮星，而外層大氣會被拋入太空，形成行星狀星云。NGC 1514行星狀星云的外層大氣在可見光下看起來像是一堆氣泡。但是詹姆斯·韋伯太空望遠鏡在紅外線的觀測結果證實了一個不同的故事：在這種光線下，星云呈現出明顯的沙漏形狀，被解釋為沿著對角線看到的圓柱體。如果你仔細觀察星云的中心，你還可以看到一個明亮的中心恒星，它屬于一個雙星系統。更多的觀測可能會更好地揭示這個星云是如何演化的，以及中心恒星是如何共同作用，產生觀察到的有趣的圓柱體和氣泡。

Image Copyright: Image Credit: NASA, ESA, CSA, M. E. Ressler (JPL) et al.; Processing: Judy Schmidt

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