宇宙“考古”：寻找百亿年前的原星系团

最近，三星堆重大考古发现的新闻持续“霸屏”，全国人民都在争相期待三星堆“盲盒”开启所带来的惊喜，并从中一窥三千年前中华文明的辉煌。然而，你可能不知道的是：“考古”可不只是考古学家们的专利，天文学家一直在从事“考古”，只不过，他们所窥探的是宇宙的过往。

根据对宇宙微波背景辐射（CMB）的观测，我们知道大约在138亿年前，宇宙处于一种热的、致密的、几乎均匀的状态。随着后续的演化，宇宙中的物质不断聚集形成很多纤维状结构，它们彼此相连构成巨大的“宇宙网”，并形成了从行星、恒星到星系，再到更大尺度的星系团等不同等级的结构。
作为宇宙中最大的引力束缚系统，星系团处于等级结构形成的顶端，它们含有成百上千颗成员星系，位于宇宙网络的结点处。那么，大尺度结构究竟是在宇宙什么时期出现的？这些星系团又是怎样形成的呢？宇宙“考古”回答这个问题，需要对宇宙进行“考古”研究。正如考古学家们需要挖掘更深的地层以探究更古老的人类历史，天文考古可以回望特定种类天体的“祖先”，在其形成的早期阶段捕捉到它们。因此，了解星系团形成的一个最直接的方向是在遥远的宇宙深处寻找它们的“祖先”——原星系团。原星系团通常被认为是处于未弛豫状态、并正在发生恒星形成的大尺度致密结构，其成员星系对整个宇宙恒星形成率密度的贡献超过20%[4]。

根据目前流行的宇宙结构等级形成理论，星系团和大尺度结构是由较小的星系碰撞合并而成，并引发恒星形成爆发，形成今天观测到的不同类型的结构。大量的数值模拟表明，我们观测到的一些质量大于1000万亿倍（>10¹⁵ ）太阳质量的近邻星系团在约100亿年前就已开始形成[3]，这时期也是宇宙恒星形成和活动星系核活动达到峰值的阶段。然而，搜寻宇宙100亿年前的原星系团是一个极具挑战的任务。

宇宙大尺度结构形成。这个模拟以3200万光年的尺度代表我们的宇宙，将宇宙气体温度从大爆炸后不久到现在的演变进行了可视化，温度由蓝色（冷）到红色或白色（热）显示，看到的“爆发”是由射电模式（超新星或者活动星系核）反馈产生。￨ 图源: The Illustris Project

传统“探方”近二十多年来，天文学家通过许多不同方法零星地发现了一些原星系团。其中，仅有不到50个是当前有明确光谱证认的100亿年前的原星系团。常规地，人们通过极深的星系红移巡天来搜寻原星系团，但是这种方法受限于深场观测中较小的巡天面积和有限的体积，会导致一些原星系团缺失；其次，人们用一些特殊的天体源，如类星体、亚毫米星系和射电星系等来示踪宇宙早期致密结构，然而这些特殊天体源的占比相对较小，故不能确保找到的原星系团更加完备。因此，一个高效的、在更大体积内完备地搜索极致密、大质量的原星系团的筛选技术一直是天文学家追求的目标。

迄今为止探测并证认的高红移原星系团的概述[5]。

“猛犸象”牌“洛阳铲”了解一下宇宙中的重子物质主要存在于宇宙网络之中。在原星系团的致密结构中，星系际存在弥漫的原子氢气体，这些气体掉落进入星系，为星系中恒星形成提供了大量的原料。现代宇宙学模拟预测星系致密结构与产生莱曼阿尔法森林吸收的星系际介质气体有关。所谓的莱曼阿尔法森林是指遥远的星系和类星体的光在穿越中性氢后产生的所有莱曼阿尔法吸收线的总和。当光穿过多个不同红移的气体云时，会形成多条吸收线。利用同一区域多个背景类星体可以探测到同一大尺度致密结构中星系际介质产生的莱曼阿尔法吸收，通过分析这些吸收的有效光深，可以找到远古宇宙中最大的致密结构。这种选择技术被冠以有趣的名称“猛犸象”（MApping the Most Massive Overdensity ThroughHydrogen， MAMMOTH）[1]。

远距离背景类星体中性氢吸收产生的莱曼阿尔法森林。莱曼阿尔法具有氢原子最强的吸收特征，由于宇宙膨胀，当来自远距离的背景类星体辐射的光传播到我们视线时，波长会被延伸，因此会看到一连串的吸收线特征。￨ 图源：Michael Murphy

“宝藏”初现目前，MAMMOTH国际合作团队已发表了明确光学近红外光谱证认的三个大质量致密结构，被称为BOSS1542、BOSS1244和BOSS1441[2,7,8]。这三个结构是迄今在宇宙早期探测到的最致密原星系团，尤其是BOSS1542和BOSS1244比同一时期普通场（随机选取的天区）的星系面密度高20倍以上，这为研究致密环境中星系的形成演化提供了理想场所。令人振奋的是，这三个原星系团的模样，形态各异，说明它们很有可能处于宇宙早期星系团形成不同演化阶段：BOSS1542展示了非常延展的纤维状大尺度结构，这提供了宇宙早期宇宙网形成的直接证据；BOSS1244呈现了多个成分可能是正在并合的大尺度结构，正在形成一个星系团；BOSS1441展现了单个成团结构，可能已经形成了一个星系团。我们通过数据分析发现，这三个结构最终会演化成类似或者比近邻宇宙中最大质量的后发座（Coma）星系团更大的系统。这三个原星系团的发现为我们更好地限制宇宙早期大尺度结构模拟提供了有力的观测证据。

利用猛犸象技术选取的已被光谱证认的三个原星系团。从左到右分别为BOSS1542、BOSS1244和BOSS1441原星系团。这三个原星系团呈现出了不同的几何形态，也是目前已知的宇宙早期最致密的大尺度结构。￨ 图源：作者

开启宇宙“盲盒”
原星系团的研究是一个方兴未艾的领域。星系团的形成和环境对星系属性影响等研究为许多大面积巡天的方案和相关天文仪器的研制提供了重要的科学依据。通过当前已有的或下一代超大规模光谱巡天，如斯隆第五代巡天（SDSS-V）、正在开展的暗能量光谱巡天（DESI）、将要开展的主焦点光谱仪光谱巡天（PFS），以及基于我国未来地面大型望远镜（如LOT等）和空间站工程巡天望远镜（CSST）的巡天计划等，人们可以建立一个更完备的同类样本来了解宇宙星系团的形成和演化，从而更精确地刻画宇宙大尺度结构形成演化的图像。

参考文献：

[1] Cai Z., Fan X., Peirani S., et al., 2016, ApJ, 833, 135[2] Cai Z., Fan X., Bian F., et al., 2017, ApJ, 839, 131[3] Chiang Y.-K., Overzier R., Gebhardt K., 2013, ApJ, 779, 127[4] Chiang Y.-K., Overzier R., Gebhardt K., Henriques B., 2017, ApJL, 844, L23[5] Overzier R., Kashikawa N., 2019, BAAS, 51, 180[6] Overzier R., 2016, A&ARv, 24, 14[7] Shi,D.D, Cai Z., Fan X., et al., 2021, ApJ, submitted[8] Zheng X.Z., Cai Z., An F.X., Fan X., Shi D.D., 2021, MNRAS, 500, 4354
作者简介
师冬冬 中国科学院紫金山天文台博士研究生。主要研究方向: 观测星系宇宙学，高红移原星系团，近邻宇宙极低面亮度星系及暗弱结构研究等。
主编：毛瑞青

轮值主编：李国亮

编辑：王科超

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