數(shù)十年搜尋后天文學(xué)家終找到宇宙失蹤氫

宇宙失蹤氫之謎

天文學(xué)家十年攻堅，首次大規(guī)模“點亮”早期宇宙的隱形氫氣暈

關(guān)鍵突破速覽

• ? 已知萊曼α星云數(shù)量暴增：3000 → 33000+（+1000%）
• ? 覆蓋宇宙年齡僅10–120億年（紅移 z ≈ 2–3）的“宇宙正午”黃金期
• ? 首次系統(tǒng)揭示中等尺度氫暈——填補觀測空白的“缺失一環(huán)”
• ? 暈結(jié)構(gòu)跨度達(dá)數(shù)萬至數(shù)十萬光年，形態(tài)如“太空變形蟲”

氫是宇宙中含量最豐富的元素，在宇宙系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和演化中起著基礎(chǔ)性作用。它主要形成于大爆炸時期，以從中性原子氣體到電離等離子體等多種狀態(tài)存在于整個宇宙空間。圖片來源：Shutterstock

為什么氫“失蹤”了？

氫氣本身不發(fā)光——它像宇宙中的“透明幽靈”。只有當(dāng)被鄰近星系強烈的紫外線照射時，才會發(fā)出特定波長的萊曼α輝光（121.6納米）。這種信號極其微弱，需超大口徑望遠(yuǎn)鏡+超長時間曝光才能捕獲。

一項針對早期宇宙的大規(guī)模新調(diào)查極大地擴(kuò)充了已知的年輕星系周圍氫氣暈的數(shù)量，揭示出這些結(jié)構(gòu)比之前認(rèn)為的要普遍和多樣得多。

HETDEX：暗能量實驗意外解鎖氫宇宙

霍比埃伯利望遠(yuǎn)鏡暗能量實驗（HETDEX）本為繪制百萬星系圖譜研究暗能量，卻因超高通量光譜能力（單次觀測生成10萬條光譜）與超廣域巡天覆蓋（>2000滿月天區(qū)），成為探測彌散氫暈的“神級副產(chǎn)品”。

天文學(xué)家通過分析霍比埃伯利望遠(yuǎn)鏡暗能量實驗（HETDEX）的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了數(shù)萬個巨大的氫氣暈——被稱為萊曼α星云——它們圍繞著100億到120億年前存在的星系。

宇宙正午：恒星誕生的巔峰時刻

這個被稱為宇宙正午的時期，標(biāo)志著星系以峰值速率形成恒星的階段。維持這種增長需要大量氫氣供應(yīng)，而氫氣是恒星形成的主要成分。然而，直到最近，人們只探測到少數(shù)這樣的暈。

《天體物理學(xué)雜志》發(fā)表的一項研究現(xiàn)已將已知的這類暈的數(shù)量增加了十倍，從約3000個增至33000多個。這一發(fā)現(xiàn)表明，此類結(jié)構(gòu)很常見而非罕見。它還擴(kuò)大了觀測到的尺寸范圍，為研究人員提供了更完整的數(shù)據(jù)集，以研究早期星系是如何形成和演化的。

科學(xué)家說

艾琳·門圖奇·庫珀（HETDEX數(shù)據(jù)經(jīng)理、該研究主要作者）：

“過去20年左右的時間里，我們一直在分析為數(shù)不多的同一批天體。HETDEX讓我們能找到更多這樣的暈，并測量它們的形狀和大小。它確實讓我們得以創(chuàng)建一個令人驚嘆的統(tǒng)計目錄。”

填充缺失的結(jié)構(gòu)

早期的調(diào)查檢測到了其中一些暈，但只有最亮和最極端的例子。同時，對早期星系的詳細(xì)觀測往往聚焦得過于緊密，以至于錯過了最小周邊區(qū)域之外的任何東西。因此，中等大小的暈在很大程度上被忽視了。

HETDEX目前正幫助填補這一空白。該項目利用麥克唐納天文臺的霍比埃伯利望遠(yuǎn)鏡，繪制超過一百萬星系的圖譜，以更好地理解暗能量。我們已捕獲近半PB的數(shù)據(jù)，不僅涵蓋這些星系，還包括它們之間的區(qū)域，HETDEX首席研究員、得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校天文學(xué)系主任、該論文合著者卡爾·格布哈特表示。我們的觀測覆蓋了天空中超過2000個滿月大小的區(qū)域，范圍巨大且前所未有。

在HobbyEberly望遠(yuǎn)鏡暗能量實驗（HETDEX）的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)的一個巨大氫氣暈，疊加在詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）深度成像中看到的其位置上。該系統(tǒng)存在于113億年前，它的光芒來自其內(nèi)部眾多星系的組合光，最亮區(qū)域用紅色表示。利用HETDEX的數(shù)據(jù)，天文學(xué)家將已知的這類光暈數(shù)量增加了十倍以上——從大約3000個增加到33000多個。圖片來源：NASA、ESA、CSA、STScI。

霍比埃伯利望遠(yuǎn)鏡是世界上最大的望遠(yuǎn)鏡之一，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的博士后研究員、HETDEX科學(xué)家兼該研究的合著者達(dá)斯汀·戴維斯補充道。而且HETDEX使用的儀器每次觀測能產(chǎn)生10萬條光譜。因此，我們擁有海量數(shù)據(jù)，還有各種各樣有趣、新奇、怪異的事物等著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。

這些新發(fā)現(xiàn)的光暈直徑從數(shù)萬到數(shù)十萬光年不等。有些呈現(xiàn)為圍繞單個星系的簡單橄欖球形云團(tuán)，而另一些則是包含多個星系的大型不規(guī)則結(jié)構(gòu)。那些是有趣的案例，MentuchCooper說。它們看起來像帶有觸手延伸至太空的巨型變形蟲。

如何定位33000+個氫暈？

• 從HETDEX已識別出的160多萬個早期星系中篩選出70000個最明亮樣本
• 利用得克薩斯高級計算中心超級計算機(jī)，逐個分析氫暈特征信號
• 特征識別：致密氫中心 + 彌散外層云團(tuán)（萊曼α發(fā)射輪廓）
• 結(jié)果：近一半星系具此結(jié)構(gòu)；實際比例或更高（暗星系未完全顯現(xiàn)）

該團(tuán)隊期望這個擴(kuò)充后的目錄能支持對早期宇宙的進(jìn)一步研究，包括宇宙結(jié)構(gòu)如何形成、物質(zhì)如何分布以及星系如何運動和相互作用。目前已識別出超過33000個暈，研究人員可以將重點從尋找這些天體轉(zhuǎn)向?qū)λ鼈冞M(jìn)行詳細(xì)研究。

戴維斯解釋道：關(guān)于這個時期的星系，有多種模型大體上是有效的，也似乎合理，但仍存在一些漏洞和不足。現(xiàn)在我們可以聚焦于單個暈，更詳細(xì)地了解正在發(fā)生的物理過程和機(jī)制。然后我們可以修正或摒棄這些模型，再嘗試新的。

參考文獻(xiàn)

《跨越宇宙正午的Lyα?xí)炁cblob之間最大規(guī)模的統(tǒng)計普查》，作者：艾琳門圖奇庫珀、卡爾格布哈特、達(dá)斯汀戴維斯、羅賓恰杜洛、克里斯拜羅爾、劉辰旭、瑪雅H德布斯基、奧斯卡A查韋斯奧爾蒂斯、馬克西米利安法布里修斯、丹尼爾J法羅、史蒂文L芬克爾斯坦、卡里爾格倫沃爾、加里J希爾、瑪雅盧揚尼邁耶、布里安娜麥凱、白川真朗、大內(nèi)正美、胡布勒特格靈、唐納德P施耐德、薩拉塔特爾、盧茨維索茨基、格雷戈里蔡曼、翟賽，《天體物理學(xué)雜志》近期，DOI 10.3847/1538-4357/ae44f3

相關(guān)知識

宇宙是時間、空間及其中所有物質(zhì)與能量的總和，包含星系、恒星、行星、暗物質(zhì)等。主流理論認(rèn)為它起源于約138億年前的大爆炸，隨后不斷膨脹。人類通過望遠(yuǎn)鏡、探測器等工具探索其奧秘，它的浩瀚與未知始終激發(fā)著我們對世界本質(zhì)的好奇與探索欲。

BY: University of Texas at Austin

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參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學(xué)名詞

3.原文來自： https://scitechdaily.com/after-decades-of-searching-astronomers-finally-track-down-the-universes-missing-hydrogen/

本文由AI翻譯自文章作者 University of Texas at Austin的作品,如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán),請在作品發(fā)布后聯(lián)系作者刪除.

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