“中国天眼”新成果，或将改变对宇宙历史的认知

作者：程诚，中国科学院南美天文研究中心，副研究员
审核：韩文标，中科院上海天文台，研究员
上周，中国科学院国家天文台利用“中国天眼”500米口径球面射电望远镜（以下简称FAST）探测到了宇宙中目前已知最大的原子气体结构。该成果于北京时间2022年10月19日23点在国际学术期刊《自然》杂志上发表[1]，媒体报道都强调其“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”，但这还远远不足以说明这项研究的意义。
为此，科普中国特别邀请论文第二作者程诚老师执笔，带来独家深入解读。
首先，天文学家到底干了什么？
这项成果简单来说，就是我们课题组用FAST看到了一朵云，很大的一朵云。这朵“云”是一个大约两百万光年尺寸的中性氢气体结构，比我们所在的银河系大二十多倍。
大，还不是这一发现激动人心的主要原因。天文学界更感兴趣的是，这朵“云”的发现，将帮助我们人类进一步理解一个非常重要的星系群的星系并合历史。
这个星系群叫做“斯蒂芬五重星系”，是1877年被法国天文学家Édouard Stephan用80厘米望远镜发现的、由5个亮星系和附近的一些矮星系组成的致密星系群，其名字中的“五重”就是指最初观测到的5个亮星系。不过，后续观测发现，这5个亮星系中有一个是前景星系，斯蒂芬五重星系的星系群实际上主要由NGC7319, NGC7318b, NGC7318a, NGC7317这4个亮星系组成。
其中，NGC7318b正在以大约1000km/s的速度撞入此前存在的星系群际介质中，后者是由于星系群中其它星系相互碰撞而产生的。也就是说，在斯蒂芬五重星系存在着复杂的星系相互作用，以及由此引发的一系列观测现象，比如大尺度的激波、星系群际介质恒星形成、长潮汐尾上的恒星形成、活动星系核外流等等。
由于斯蒂芬五重星系中的相互作用非常热闹，它自发现以来就一直就成了最受关注的星系群，是研究星系碰撞、并合、星系际介质、潮汐等过程的重要样本。
在相关研究中，一个非常重要的问题是这些星系的相互作用历史，也就是星系并合历史。但是，因为斯蒂芬五重星系的相互作用比较复杂，不同课题组的数值模拟结果不尽相同，且都无法解释现有的全部观测结果。
因此，此次借助FAST对斯蒂芬五重星系天区展开的中性氢分布观测就非常重要了——中性氢是最轻的原子和最常见的重子物质，可能会在星系并合早期就被剥离到星系群外围，了解星系群中的中性氢分布，尤其是弥散在星系群外围区域的中性氢观测数据，将非常有助于约束现有的并合历史模型。
FAST，只用22.4小时就完成了观测
斯蒂芬五重星系这一天区曾被阿雷西博射电望远镜、绿岸射电望远镜、甚大阵做过大约四次射电观测，这些观测都只探测到星系群中心约70平方角分区域中的几个大质量星系附近的氢原子分布，观测数据主要用于研究星系群中的中性氢辐射，数据的灵敏度不足以探测到更延展的中性氢辐射。
我们课题组申请并得到了FAST的观测时间，对斯蒂芬五重星系方向约700平方角分天区做了中性氢观测，足以覆盖到星系群中更外围的区域和星系群附近的一些矮星系。
FAST的灵敏度很高，而且这种单口径射电望远镜非常适合探测这种弥散的中性氢气体。FAST的十九波束接收机覆盖的天区面积也大，一次观测就能得到19个位置的数据，因此FAST可以以很高的观测效率和灵敏度探测这一天区的中性氢辐射，是非常适合这一课题的望远镜。
在2021年秋天，我们只用了22.4个小时就完成了这一天区304个位置的射电观测，也成功探测到这“朵”巨大而且稀薄的氢原子气体。
“大尺度”的背后，这些问题更重要
我们观测到的“这朵云”很稀薄，而如此稀薄的中性氢很可能会被宇宙的紫外背景辐射电离，因此这种弥散的中性氢结构是很难长期存在的。于是，从理论的角度来说，我们观测到的这团气体是如何产生的，和斯蒂芬五重星系的关联是什么，这些气体以后会如何演化，是不是星系群形成的时候经常会产生类似的原子气体结构，都是很值得仔细探讨的问题。
而从观测的角度来说，这种大尺寸的中性氢气体系统有多少，是不是更容易出现在致密星系群附近，会不会在其它天体系统附近出现，也都是可以借助FAST超高的灵敏度和观测效率来继续研究的课题。我们就在尝试以类似的灵敏度观测一些近邻星系，期望探测到更多类似的现象。
拿我们这篇文章的几位欧洲合作者来举例，他们都有针对斯蒂芬五重星系的丰富的数值模拟经验，然而他们此前的数值模拟并没有考虑原子气体和气体的电离、复合过程。所以，现在欧洲团队正在努力从数值模拟的角度，结合这次新的观测数据来还原这些星系的并合历史。
同时，我们课题组现有的中性氢数据也探测到了这个星系群附近的几个矮星系的中性氢辐射。在2021年底，我们还曾借助丽江两米四光学望远镜，成功认证了一个距离星系群约三百kpc远的星系光谱红移。正是结合了过往和当前的研究，我们才能在本次在《自然》杂志上发表的文章中讨论中性氢结构的起源。
今年我们又申请得到了一些丽江两米四光学望远镜的光谱观测时间，希望能结合矮星系的光学和射电观测数据来限制星系群附近的卫星星系的恒星形成历史，理解矮星系在星系群演化中的作用。
总而言之，在《自然》杂志发表成果还只是开始。未来，“这朵云”可以启发我们对宇宙里的天体起源等课题做更深入的研究和思考，FAST的高灵敏度也给我们带来更广阔的窗口来探索宇宙中更弥散的中性氢辐射。让我们一同期待。
参考文献：
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