天体物理学家发现星系间的第一个气泡

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发表在《天体物理学杂志》上的一项新研究报告称，由卡弗里宇宙物理与数学研究所（Kavli IPMU）领导的一个国际研究小组发现了宇宙中某些部分被加热到与星系间气体介质的温度相似的最早迹象，而宇宙中的大多数原子目前都居住在那里。

一个模拟的可视化图描述了一个星系原簇周围大规模加热的情景，使用的是超级计算机模拟的数据。这被认为是与在COSTCO-I原生星团中观察到的情况类似。图片中心的黄色区域代表一个巨大的、热的气体团，横跨几百万光年。蓝色表示较冷的气体，它位于原生星团的外部区域，以及连接热气体和其他结构的丝状物。图像中的白点，即嵌入气体分布中的白点，是由恒星发出的光。资料来源：THREE HUNDRED合作组织

宇宙中所有原子的绝大部分 - 大约90%可以在填补可见星系之间空间的星系间气体中找到。这种星系间介质目前处于高温和复杂的状态，温度从10万摄氏度到1000多万摄氏度不等，被研究人员称为"暖热星系间介质"（WHIM）。

然而，在100多亿年前，当宇宙中的星系处于形成恒星的高峰期时，大多数星系间介质存在于相对较冷的温度，低于1万摄氏度，创造了一个更可预测和稳定的阶段。

由Kavli IPMU研究生Chenze Dong和项目助理教授Khee-Gan Lee领导的一个国际研究小组已经确定，在宇宙只有30亿年历史的时候，宇宙中最远的一片区域被加热到更具有今天WHIM的温度。这个区域是一个被称为"COSTCO-I"的巨大星系聚合体，一个总质量超过太阳质量400万亿倍的星系原簇，横跨几百万光年，也是由Lee和Kavli IPMU的一个研究小组在2022年发现的。

该图比较了在COSTCO-I星系原星团附近观察到的氢气吸收（上图），与计算机模拟计算出的原星团存在的预期吸收进行了比较。强烈的氢气吸收显示为红色，较低而弱的吸收显示为蓝色，而中间的吸收则表示为绿色或黄色。图中的黑点表示天文学家在该地区探测到的星系。在COSTCO-I的位置（其中心在两幅图中都标记为恒星），天文学家发现观察到的氢气吸收与该时代宇宙的平均值没有太大差别。这令人惊讶，因为人们期望在那个与观察到的高浓度星系相对应的区域中找到跨越数百万光年的扩展氢吸收。资料来源：Dong等人。

尽管像这样的遥远宇宙中的星系原生簇经常被发现，但是当他们使用夏威夷茂纳凯亚的W.M.凯克天文台的10.3米直径的凯克-I望远镜检查覆盖COSTCO-I的紫外线光谱时，该团队发现了一些奇怪的现象。

通常情况下，在121.6纳米的特定波长下，星系原生体的巨大质量和尺寸会投下一个巨大的阴影，这是由于与原生体气体相关的中性氢的吸收造成的，但是在COSTCO-I的位置没有发现吸收阴影。

"我们对这一缺失感到惊讶，因为氢气吸收是搜索星系原生星团的常见方式之一，而COSTCO-I附近的其他原生星团确实显示出这种吸收信号"，Dong说。

没有中性氢跟踪原生星系团表明原生星系团中的气体必须被加热到可能比宇宙中那个时候的星系间介质预期的冷态高一百万度。如果我们把今天的星系间介质看作是一个巨大的宇宙炖品，它正在沸腾和起泡，那么COSTCO-I可能是天文学家在遥远的过去观察到的第一个气泡，而当时这个锅里的大部分东西仍然是冷的。

WHIM的特性和起源仍然是目前天体物理学中最大的问题之一，能够瞥见WHIM的早期加热点之一将有助于揭示导致星系间气体沸腾成今天的泡沫的机制。这种情况的发生有几种可能性，但可能是由于气体在引力塌缩过程中相互碰撞而升温，或者巨大的射电喷流可能从原生星团内的超大质量黑洞中抽出能量。

"COSTCO-I甚至在原生星团的演化方面也很有趣。天文学家通常在星系或星系间介质中寻找原生星团，以发现它们。然而，COSTCO-I却无法通过这些传统方法找到。未来的PFS调查将能够搜索到更多像COSTCO-I这样的原生星团，并揭示它们的演化过程，"共同作者、JSPS海外研究员Rieko Momose说。

星系间介质代表着为星系提供原材料的气体库，而热气体与冷气体的行为方式不同，它们可以很容易地流入星系并形成恒星。能够直接研究早期宇宙中WHIM的成长，将使天文学家能够建立起星系形成的连贯性，以及为其提供能量的气体的生命周期。

Kavli IPMU的天文学家们目前正在大力参与为茂纳凯亚岛上的8.2米斯巴鲁望远镜开发一个强大的新的多物体光谱仪，即斯巴鲁主焦点光谱仪（PFS）。利用斯巴鲁PFS，天文学家将能够绘制出比目前的研究大40倍的体积，并研究数百个星系原簇的气体特性。