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翻譯：葛文迪

校對(duì)：牧夫校對(duì)組

編排：陳宏宇

后臺(tái)：朱宸宇

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

天文學(xué)家在統(tǒng)計(jì)當(dāng)今宇宙中所有普通物質(zhì)（恒星、星系和氣體）時(shí)，發(fā)現(xiàn)其數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于136億年前大爆炸產(chǎn)生的總物質(zhì)。實(shí)際上，超過一半的普通物質(zhì)——即宇宙中15%的非暗物質(zhì)中的一半——無法在我們看到的發(fā)光恒星和氣體中得到解釋。

然而，新的測(cè)量結(jié)果似乎發(fā)現(xiàn)了這種缺失的物質(zhì)，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(xué)家此前認(rèn)為的更加膨脹和廣泛。

這一發(fā)現(xiàn)不僅解決了天文觀測(cè)與大爆炸以來宇宙演化最佳、經(jīng)驗(yàn)證的模型之間的矛盾，還表明星系中心的超大質(zhì)量黑洞比之前認(rèn)為的更加活躍，它們噴射出的氣體比預(yù)期的遠(yuǎn)離星系中心的距離要遠(yuǎn)得多——研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這一距離大約是之前的五倍。

加州大學(xué)伯克利分校的米勒博士后研究員、研究報(bào)告的第一作者Boryana Hadzhiyska說： “我們認(rèn)為，當(dāng)我們遠(yuǎn)離星系時(shí)，我們能夠找到所有缺失的氣體。為了更準(zhǔn)確地得出結(jié)論，我們需要進(jìn)行仔細(xì)的模擬分析，而我們目前還沒有完成這項(xiàng)工作。我們希望把這項(xiàng)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(gè)衛(wèi)星星系——大麥哲倫云和小麥哲倫云的熱氫氣暈圈。這個(gè)暈圈比天文學(xué)家最初認(rèn)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(zhì)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(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)伯克利分校的高級(jí)科學(xué)家Simone Ferraro說 ：“這些測(cè)量結(jié)果肯定與發(fā)現(xiàn)所有氣體是一致的。”他在三年前發(fā)表的分析中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這種廣泛電離氫暈圈的跡象。

對(duì)星系進(jìn)行疊加分析

雖然仍然神秘的暗物質(zhì)占據(jù)了宇宙中大部分物質(zhì)（約84%），其余部分則是普通物質(zhì)。普通物質(zhì)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(tài)的——存在于星系以及連接星系的宇宙網(wǎng)絡(luò)的絲狀結(jié)構(gòu)中。

這種絲狀網(wǎng)絡(luò)中的電離氣體及其相關(guān)的電子被稱為溫?zé)嵝窍惦H介質(zhì)，由于其溫度過低且分布過于稀薄，無法通過天文學(xué)家通常使用的技術(shù)進(jìn)行觀測(cè)，因此直到現(xiàn)在仍然難以捉摸。

在新論文中，研究人員通過對(duì)大約700萬個(gè)星系的圖像進(jìn)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(nèi)），估算出圍繞星系的電離氫的分布，并通過測(cè)量宇宙微波背景輻射因被電離氣體中的電子散射而產(chǎn)生的微弱變暗或變亮，即所謂的動(dòng)力學(xué)蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應(yīng)，來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

為了探測(cè)圍繞非常明亮的紅星系的電離氫氣的微弱信號(hào)，研究人員將超過一百萬個(gè)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(dòng)力學(xué)蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應(yīng)）。藍(lán)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(qū)域中心的幾個(gè)像素點(diǎn)。圖片來源：Boryana Hadzhiyska and Simone Ferraro，數(shù)據(jù)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(cè)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(tái)的梅亞爾4米望遠(yuǎn)鏡上的暗能量光譜儀（DESI）收集。DESI由總部位于伯克利實(shí)驗(yàn)室的合作團(tuán)隊(duì)建造，正在對(duì)數(shù)千萬個(gè)星系和類星體進(jìn)行觀測(cè)，以構(gòu)建一個(gè)覆蓋從地球到110億光年范圍的三維宇宙地圖，從而測(cè)量暗能量對(duì)宇宙膨脹的影響。

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

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

此次分析是與斯坦福大學(xué)的研究生Bernardita Ried Guachalla、位于門洛帕克的SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室的員工科學(xué)家Emmanuel Schaan以及DESI和ACT團(tuán)隊(duì)合作完成的。

星系反饋

天文學(xué)家通常認(rèn)為，星系中心的超大質(zhì)量黑洞僅在其形成階段會(huì)以物質(zhì)噴流的形式噴射氣體，當(dāng)時(shí)中心黑洞正在吞噬氣體和恒星，并產(chǎn)生大量輻射。這使得它們成為天文學(xué)家所稱的活動(dòng)星系核（AGN）或類星體。

如果像這項(xiàng)新研究暗示的那樣，星系周圍的電離氫暈圈比之前認(rèn)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(huì)變得活躍。

Hadzhiyska 說：“我們不理解的一個(gè)問題是關(guān)于活動(dòng)星系核的，其中一個(gè)假設(shè)是它們會(huì)在所謂的占空比周期中偶爾開啟和關(guān)閉。”

天文學(xué)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(huì)調(diào)節(jié)整個(gè)星系中恒星的形成。Ferraro、Schaan及其同事在2020年之前的報(bào)告中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了更廣泛反饋的跡象，當(dāng)時(shí)Schaan是伯克利實(shí)驗(yàn)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(cè)量結(jié)果。隨后，Ried Guachalla通過DESI光譜樣本確認(rèn)了這些發(fā)現(xiàn)，并且能夠研究更靠近我們的星系中的氣體，強(qiáng)調(diào)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(jié)構(gòu)”分布。

DESI合作項(xiàng)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(gè)可視化圖像中，地球位于中心，每一個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)星系。圖片來源：DESI合作項(xiàng)目以及KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/R.Proctor

Hadzhiyska指出，當(dāng)前的星系演化模擬需要在其模型中納入這種更強(qiáng)烈的反饋。一些新的模型已經(jīng)開始這樣做了，以產(chǎn)生更強(qiáng)大且與新數(shù)據(jù)更一致的模擬結(jié)果。

在宇宙中找到缺失的物質(zhì)（重子）也對(duì)宇宙演化的其他方面具有重要意義。

“知道氣體在哪里已經(jīng)成為從當(dāng)前和未來的調(diào)查中獲取宇宙學(xué)信息的最嚴(yán)重的限制因素之一。我們有點(diǎn)撞到了這堵墻，現(xiàn)在正是解決這些問題的合適時(shí)機(jī)。”費(fèi)拉羅說，“一旦你知道氣體在哪里，你就可以問，‘這對(duì)宇宙學(xué)問題有什么影響？’”

Hadzhiyska說，從這些大質(zhì)量星系的核心噴射出的氣體挑戰(zhàn)了氣體跟隨暗物質(zhì)的假設(shè)。低估這種氣體噴射可能會(huì)在宇宙學(xué)模型中引入不一致，而新的結(jié)果實(shí)際上可能解決一些關(guān)于宇宙結(jié)構(gòu)有多密集的問題。

Hadzhiyska 說：“有很多人對(duì)使用我們的測(cè)量結(jié)果進(jìn)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(xué)家非常關(guān)心這一點(diǎn)，因?yàn)樗兄诶斫庑窍档男纬珊脱莼！?/p>

Hadzhiyska表示，該團(tuán)隊(duì)使用的技術(shù)——?jiǎng)恿W(xué)蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應(yīng)——也可以用來探測(cè)早期宇宙。這可能為科學(xué)家提供關(guān)于宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)以及早期宇宙的物理規(guī)律的見解，并使他們能夠?qū)σ蛷V義相對(duì)論進(jìn)行檢驗(yàn)。

責(zé)任編輯：郭皓存

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韋伯望遠(yuǎn)鏡拍攝的行星狀星云NGC 1514

當(dāng)一顆恒星耗盡核燃料時(shí)會(huì)發(fā)生什么？對(duì)于像太陽這樣的恒星，中心會(huì)凝聚成一個(gè)白矮星，而外層大氣會(huì)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(yuǎn)鏡在紅外線的觀測(cè)結(jié)果證實(shí)了一個(gè)不同的故事：在這種光線下，星云呈現(xiàn)出明顯的沙漏形狀，被解釋為沿著對(duì)角線看到的圓柱體。如果你仔細(xì)觀察星云的中心，你還可以看到一個(gè)明亮的中心恒星，它屬于一個(gè)雙星系統(tǒng)。更多的觀測(cè)可能會(huì)更好地揭示這個(gè)星云是如何演化的，以及中心恒星是如何共同作用，產(chǎn)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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