相对论 | 宇宙“巨兽”的身世之谜

天文学的神奇之处在于，你有机会借助各种工具，回望宇宙的过往，甚至它最开始的样子。

名叫“斑点”的“巨兽”

今天要介绍的这个大家伙，最近正在成为天文学家研究这段历史的新宠。它虽顶着个呆萌的名字——莱曼α斑点（Lyman Alpha Blobs，简称LAB），却藏不住骨子里的“巨兽”作派。

LAB-1：绿色为莱曼α观测（左）vs计算机模拟图（右）

| 图源：ESO/M. Hayes（左）；J.Geach/ D.Narayanan/ R.Crain （右）

20多年前，天文学家在上百亿光年之外的宇宙学距离上搜寻一种发射莱曼α光的早期星系时，偶然发现了一类巨型原子氢气体云团。它们绵延数十万光年，是银河系的数倍，是当之无愧的宇宙“巨兽”。它们很有可能是我们今天所见的星系团的“育婴袋”，一大波原始星系正在孕育诞生。

莱曼α辐射：“散”出迷雾

LAB得名于它所发射的一种特殊紫外光——莱曼α辐射。这种辐射来自氢原子中电子的量子跃迁，发生在离原子核最近的两个电子轨道之间，波长约为121.6纳米，落在真空紫外波段。这是地面望远镜的“盲区”，因为这种紫外光会被地球大气妥妥地吸收掉。

氢原子核外电子运动轨道与莱曼α辐射示意图

但是，从遥远的早期宇宙中发出的莱曼α发射线可以借宇宙的膨胀把波长拉长（观测波长λ’=121.6nm‧(z+1)，z为红移），变身为七彩的可见光（约380-780纳米，z约为2-5），穿越大气层的阻碍，成为天文学家研究早期宇宙的“利器”。

宇宙早期到处弥漫着的原子氢“迷雾”，它们模糊了星光。莱曼α辐射之所以会弥漫于如此巨大的云团，要归功于共振散射（resonance scattering）：莱曼α光子在逃离星系之前，与其中无处不在的氢原子多次碰撞，被氢原子吸收，又很快再发射，上演着一场宇宙版的“弹珠游戏”。

经历多次散射的莱曼α光子可以跑得很远，从云团所孕育的星系中逃逸出来，并与星系团中星系周围的冷原子气体散射，从而成就了观测到的莱曼α斑点。观测到的莱曼α光更像是一种辉光，而并非云团中的气体自身发出的。就像迷雾中开启的车灯所泛出的光晕，成为人类回望早期宇宙的关键依靠。

身世之谜

云团中莱曼α辐射的能量相当于几十亿个太阳！那么问题来了：点亮如此巨大的云团所需要的能量从哪里来？这也是自莱曼α斑点发现以来，一直困扰着天文学家的一道谜题。

理论模拟给出了一些可能的能源：星系中的恒星形成、星系中心的黑洞、大尺度的冷气流等，但是迄今还莫衷一是，需要观测证据。随着阿塔卡玛大型毫米波/亚毫米波干涉阵（ALMA）、甚大望远镜（VLT）等分辨率和灵敏度空前的大设备的加入，以及不断发展的理论和数值模拟技术，天文学家开始逐步揭开LAB的身世之谜：在一些云团中找到了黑洞存在的证据，在另外一些云团中找到了原始星系存在的证据，接下来需要找到冷气体流向云团中心星系的直接证据，并逐步确定主要的加热机制。

多波段观测的LAB-2（左）和艺术想象图（右）|图源: NASA / ESA, CXC, JPL-Caltech, STScI, NAOJ, J.E. Geach (Univ. Durham) et al. （左）；NASA/CXC/M.Weiss（右）

新发现

2020年3月9日，《自然‧天文》发表的一项研究成果给出了这样的证据。对107亿年前从天鹤座方向LAB-6发出的莱曼α、一氧化碳分子和碳原子等发射谱线的综合研究表明：云团中的星系际原子氢气体正在向中心下落，且莱曼α辐射的能源来自于其中心正在形成恒星的原始星系。

LAB-6周围天区的三色图（绿色：莱曼α辐射 /CTIO-4m 411纳米波段；蓝色：VLT-1.258微米J波段; 红色: VLT-2.146微米Ks波段） | 图源：敖宜平（紫金山天文台研究员，第一作者）

本期相对论，让我们随科学记者小紫（“紫”）一起和该文一作——中国科学院紫金山天文台敖宜平研究员（“敖”）聊一聊他们的新发现。

紫：你们是如何盯上LAB-6这只“巨兽”的？

敖：十年前，当时我们和法国合作者在一个选定的天区中开展一类宇宙早期星系的准确定位观测和多波段证认研究。这个天区中碰巧也包含有4个莱曼α斑点。这让人没法不好奇，于是就有了之后的一系列观测研究。

首先，通过空间红外望远镜的公开释放数据，从中选出了两个内部有加热源，也就是内部可能存在原始星系的LAB。接着，用ALMA搜寻原子和分子谱线，并幸运地在LAB-6中取得成功。于是，我们锁定LAB-6，利用VLT精确测量LAB-6的莱曼α发射谱线轮廓，确定电离气体的信息，并经综合分析后确定新发现。整个过程是有偶然，也有必然。

紫：新发现中气体的下落具体是如何确定的？

敖：是用一种天文学上研究气体运动学过程常用的谱线轮廓不对称性分析方法。

我们所看到的谱线轮廓其实是视线方向所有发射的集合效果，如果气体在有中央加热源的云团中有径向的运动，多普勒效应会使谱线轮廓出现不对称的红蓝双峰结构（见示意图）：如果气体从星系中心向外流动，光谱重心向红端移动，表现为红强蓝弱。相反，如果气体是向中心下落的，光谱重心向蓝端移动，表现为蓝强红弱。LAB-6的观测就符合下落的情形。

但是这一方法需要知道所研究对象的精确系统速度，即示意图中的中心虚线位置。对早期宇宙中的天体而言，就是要定出精确的红移。而莱曼α发射线的宽而有结构的谱线轮廓特征不利于红移的精确确定，需要观测其他轮廓较简单的谱线。

莱曼α谱线和气体运动关系的示意图 | 图源：郑政（美国犹他大学教授，第二作者）

紫：成就这次新发现的关键在哪里？

敖：这首先要归功于ALMA空前的高分辨率和高灵敏度。因为必须探测到分子或原子谱线，才能确定红移，相当于给莱曼α发射线中心位置做了个精确定位，确保了接下来对谱线重心的相对移动做出的判断是靠谱的。

利用ALMA，我们在LAB-6中探测到两条谱线：一氧化碳分子CO J=7-6（静止波长~371.6μm，红移到~1.251 mm）和碳原子[CI] 3P2-3P1（静止波长~370.4μm，红移到~1.248mm），从而确定了中心星系的红移（z= 2.3691）。

VLT的高精度莱曼α谱线观测也很重要。最终确定的莱曼α谱线的多普勒移动为150千米每秒。并从重元素的缺乏判定下落的气体是冷气流，而非爆发后回落的再加工气体。

同样重要的还有理论模拟对观测的指引作用。现如今的理论模拟已经发展到可以给出莱曼α光子随时间的演化、空间和光谱结构、以及与倾角的依赖关系等细节。两台顶级设备和先进的理论模拟的完美结合才让我们有机会敲定气体下落的明确证据。

紫：气体下落有这么重要吗？

敖：是的。这次的发现为我们理解星系际气体下落到星系的“冷气流”作为LAB能源之一提供了明确的观测证据。至此，理论模拟提出的LAB辉光的三个主要能源都有了明确的观测支持。这些冷气体会被下落过程中释放的引力势能加热而发出莱曼α光子。不过，观测到的下落气体量只有大约每年两个太阳质量，不足以解释观测到的莱曼α辐射，主要能源还是来自原始星系中恒星形成活动。

宇宙中普遍存在的大尺度纤维状结构可能会冷却，成为星系生长的原料，形成新一代的星系。如果能够进一步证实下落气体具有一定的普遍性，必然会对星系的形成和演化过程提供观测上的限制条件。

紫：这个宇宙“巨兽”的身世算是查清楚了吗？

敖：远没有，还得继续查下去！我们的研究支持原始星系中的恒星形成作为所观测到莱曼α辐射的能源，而下落气体则塑造了观测到的莱曼α发射线的光谱轮廓。但是，问题并没有完全解决。

首先，加热源还存在其他的可能性，比如超大质量黑洞也能产生类似的莱曼α辐射。不过，确定黑洞的存在，需要探测到X射线发射。

其次，目前在LAB中观测到气体下落的案例还非常少，这也许和系统的倾角有关，但需要未来更多样本的观测，并通过构建更复杂、更接近实际情况的模型作细致分析，以确定冷气流是否普遍存在。

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参考资料：

1.Ao, Y., Zheng, Z., Henkel, C. et al. Infalling gas in a Lyman-α blob. Nat Astron (2020). https://doi.org/10.1038/s41550-020-1033-3

2. Smith, A. Dynamics of Lyman-α blobs. Nat Astron (2020). https://doi.org/10.1038/s41550-020-1075-6

主编：毛瑞青

轮值主编：苏杨

编辑：王科超、高娜