图为“中国天眼”探测到的在致密星系群“斯蒂芬五重星系”周围天区中的原子气体分布。中科院国家天文台供图

核心阅读

宇宙中所有天体的起源，都离不开原子气体。近日，我科学家利用“中国天眼”发现了一个尺度约为200万光年的原子气体结构，是目前宇宙中探测到的最大的原子气体结构。“中国天眼”也成为唯一一个能探测到如此稀薄气体的望远镜。

利用“中国天眼”，由中国科学院国家天文台研究员徐聪领导的国际团队发现了一个尺度约为200万光年的巨大原子气体结构，位于著名致密星系群“斯蒂芬五重星系”，比银河系大20倍，是迄今为止在宇宙中探测到的最大的原子气体结构。10月19日，该成果在国际学术期刊《自然》杂志发表。

宇宙天体的起源离不开原子气体

天体物理中非常重要的一项研究，就是观测宇宙中的气体。宇宙中所有天体的起源，都离不开原子气体。例如，星系主要的演化过程就是不断从宇宙空间吸收原子气体，然后将其转化为恒星。

团队成员之一、中科院国家天文台研究员程诚介绍：“我们看到的所有的天体，比如恒星，它们的源头最终都会归结到中性原子氢气体。”

此外，研究气体本身也非常重要。对此，程诚进一步解释：“比如，有的恒星形成时，它不是来自原子氢，而是来自分子氢。那么，原子氢是怎么变成分子氢的？分子氢的密度为何会越来越高？还有，这些原子氢等重子物质是如何汇聚到星系的中心区域，然后渐渐形成恒星变成星系的？这些问题对于研究天体演化的各种阶段都非常关键。”

通过射电天文波段，天文学家能够对宇宙中的原子气体进行直接观测。“中国天眼”是当今世界口径最大、灵敏度最高的单口径射电望远镜，其所拥有的超高灵敏度，能够探测到远离星系中心的极其稀薄的弥散原子气体所发出的暗弱辐射。

经过研究分析，科研团队最终选中了著名致密星系群“斯蒂芬五重星系”进行观测。自1877年被法国天文学家斯蒂芬发现后，“斯蒂芬五重星系”便是天文学领域最受关注的星系群，也成为韦布空间望远镜第一批观测并首次向公众展示的5个目标之一。

程诚说：“此前，也有其他国家的望远镜对这个星系群区域观测过多次，但那些望远镜的灵敏度都不够高，所以观测结果都不理想。我们期望能够突破以往的观测极限。”

“中国天眼”是唯一能探测到如此稀薄气体的望远镜

宇宙中星系相互作用以及它们中间气体的来源一直是天文学中的重要问题，“中国天眼”是研究这个问题的“利器”。

由徐聪领导的、以中科院南美天文研究中心为主的国际团队包括了国内外一流的红外和射电天文专家，他们都有丰富的多波段研究经验。在“中国天眼”对国际天文界开放申请的第一季，该团队便提交了观测申请，并通过评审得到了观测时间。

徐聪说：“我们的科学目标是将‘中国天眼’发挥到极致，探测到宇宙中最稀薄的气体，研究星系中的气体最远来自宇宙中何处。”

在天文观测中，出现噪声在所难免。为了能够达到观测目标，“中国天眼”的调试人员不断改进、提高“中国天眼”的灵敏度并压制噪声，终于在2021年10月将其灵敏度调试到极限，成功观测到“斯蒂芬五重星系”周围极稀薄的气体。

程诚说：“前后观测大概只用了一个月的时间，望远镜的总曝光时间是22小时。这个时间可以说是特别快，超出了我们的预期。”

在这次观测中，“中国天眼”的接收机表现也特别出色。

“接收机接收信号时就有点像收音机调台，我们要的中性氢的辐射就恰好在1.39GHz附近，我们就需要在这个频段附近找信号。有些望远镜接收机的频段范围窄，但‘中国天眼’接收机接收信号的频率覆盖范围很宽，效率就很高。”

让科研团队吃惊的是，这些气体延展到了星系外200万光年的地方，是有史以来天文观测到的宇宙中最大的原子气体结构，“中国天眼”也成为唯一一个能探测到如此稀薄气体的望远镜。

对研究星系及其气体在宇宙中的演化提出挑战

“中国天眼”的这项最新发现，揭示了在远离该星系群中心的外围空间，存在大尺度的低密度原子气体结构。

徐聪说：“这些原子气体结构的形成很可能与 ‘斯蒂芬五重星系’早期形成时星系间相互作用的历史有关，可能已经存在了大约10亿年。”

程诚告诉记者，此前也有观测到过这类中性原子氢的弥散系统，但都是一个星系附近有一个中性原子氢结构系统，形状像尾巴一样。“我们原本的预期是希望利用中性原子氢的弥散分布情况来理解星系群并合的历史。我们曾设想，也许有些中性氢是被甩出来到星系边缘，但当我们看到在星系外围有一个这么大的原子气体结构时，我们便猜测，也许有一个星系的中性原子氢被彻底剥离出来了。”程诚说。

徐聪介绍，本次成果预示着宇宙中可能存在更多这样大尺度的低密度原子气体结构，“这项发现对研究星系及其气体在宇宙中的演化提出了挑战，因为现有理论很难解释为什么在如此漫长的时间里，这些稀薄的原子气体仍没有被宇宙空间中的紫外背景辐射电离。”

“中国天眼”的运行，为研究宇宙中天体的起源打开了一个崭新窗口，后续可以利用本次观测结果，对紫外背景辐射电离进行更多探索。