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宇宙大爆炸遗留的微弱辉光上投射的“阴影”,揭示了早期宇宙中一个巨型天体的存在,该天体的演化方式与我们对宇宙演化的预测相悖。这个天体是名为SPT2349-56的星系团。它在大爆炸仅14亿年后就被观测到,其内部气体的温度远高于预期。星系团的引力加热本应是一个缓慢的过程,需要数十亿年才能达到SPT2349-56所处的温度范围。加拿大不列颠哥伦比亚大学的天体物理学博士生周大志(音译)表示:“我们从未预料到在宇宙历史如此早期的阶段会观测到如此炽热的星系团大气。”事实上,起初我对这个信号持怀疑态度,因为它过于强烈,不像是真实存在的。但经过数月的验证,我们确认这些气体的温度至少是预测值的五倍,甚至比许多现代星系团中的气体更热、能量更高。
SPT2349-56最早于2010年由南极洲的南极望远镜观测发现,早期迹象表明它并不寻常。2018年发表的后续观测结果证实,该天体是一个由30多个星系组成的星系团,其恒星形成速率是银河系的1000倍,且这些星系正沿着碰撞轨迹相互靠近。由于这场极端的“宇宙戏剧”发生在约124亿年前的早期宇宙,天文学家认为它可能为宇宙历史关键时期的星系演化提供线索。由周大志领衔的国际团队使用超高灵敏度的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)探测宇宙微波背景(CMB)——这是宇宙冷却到允许光线自由传播时遗留下来的、仍弥漫于整个宇宙的微弱均匀辉光。
他们想要寻找的是一种被称为苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应(SZ效应)的畸变,这种畸变是由星系团中星系间的热气体中的电子与CMB光子相互作用引起的。由于CMB非常平滑,这些“阴影”会形成可被探测和测量的对比度。星系团是空间中的一个区域,随着星系相互靠近,引力会逐渐增强。这种引力作用于星系内部的气体——即星系际介质,对其进行挤压和加速,这两种作用都会增加气体的能量。SPT2349-56是早期宇宙中星系团的一个极端例子,无论是在大小还是恒星形成速率上都是如此,此前的测量显示星系间存在大量分子气体。周大志及其同事对这些气体进行了详细研究,以了解它们能揭示星系团内部的哪些动力学过程。
达尔豪斯大学的天体物理学家斯科特·查普曼(曾任职于加拿大国家研究委员会)表示:“理解星系团是理解宇宙中最大星系的关键。这些大质量星系大多位于星系团中,其演化过程在形成时受到星系团强环境的严重影响,...
根据现有模型,仅靠引力无法产生如此高的温度。研究人员推测,SPT2349-56中至少三个超大质量黑洞产生的强大喷流可能注入了额外的能量。查普曼解释道:“这告诉我们,早期宇宙中存在某种因素——很可能是该星系团中最近发现的三个超大质量黑洞——已经在向周围环境注入大量能量,并塑造这个年轻的星系团,其时间比我们想象的更早,强度也更大。”
这反过来表明,我们对星系团演化的理论理解远未完善——即使在早期宇宙中,当我们认为某些动力学过程可能尚未发挥作用时,也需要考虑整个星系团的生态系统。周大志说:“我们想要弄清楚剧烈的恒星形成、活跃的黑洞和这种过热大气之间如何相互作用,以及这能告诉我们现代星系团是如何形成的。”这项研究已发表在《自然》杂志上。





