我國(guó)學(xué)者揭示早期宇宙星際間重元素起源之謎

　　9月27日，國(guó)際知名天文期刊《自然—天文》（Nature Astronomy）發(fā)表了清華大學(xué)天文系教授蔡崢課題組的研究結(jié)果。課題組通過(guò)觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，大質(zhì)量星體的反饋?zhàn)饔脤?duì)于早期宇宙重元素起源的影響力，要比之前普遍認(rèn)知的要大得多。

　　在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪(fǎng)時(shí)，蔡崢介紹說(shuō)，在宇宙中，絕大部分物質(zhì)不在星系里，而在星系之間。這部分彌散在星系之間廣袤空間里的物質(zhì)被稱(chēng)為星系際介質(zhì)。

　　在宇宙大爆炸初期，宇宙中只存在大量的氫、氦和少量的鋰，沒(méi)有更重的元素（如碳，氮，氧等）。但是天文學(xué)家們從距離大爆炸僅10億年的宇宙中，利用類(lèi)星體光譜，確認(rèn)了星系際介質(zhì)中已經(jīng)存在了較重的元素。

　　“這些早期宇宙中的重元素究竟從何而來(lái)，它們又是如何到達(dá)星際介質(zhì)中的？這一問(wèn)題直到今天依然是觀(guān)測(cè)宇宙學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題?！辈虓樥f(shuō)，今年4月，《科學(xué)》聯(lián)合上海交通大學(xué)發(fā)布了人類(lèi)目前125個(gè)比較難解的科學(xué)問(wèn)題，早期宇宙中重元素的起源問(wèn)題便位列其中。

　　對(duì)于這一問(wèn)題，目前科學(xué)界比較公認(rèn)的理論認(rèn)為，早期星際介質(zhì)中的重元素主要是被小質(zhì)量星系的恒星星風(fēng)，或者活動(dòng)星系核反饋拋射到宇宙空間中的。在這個(gè)模型框架下，小質(zhì)量星系的活動(dòng)似乎是星際介質(zhì)重元素起源的原因。

　　然而在實(shí)際觀(guān)測(cè)中，由于小質(zhì)量星系本身亮度很低，加之星系很可能是被塵埃所遮蔽，傳統(tǒng)的光學(xué)觀(guān)測(cè)并不能有效地支持這一理論。對(duì)此，蔡崢?biāo)I(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)項(xiàng)目將觀(guān)測(cè)手段轉(zhuǎn)向了射電觀(guān)測(cè)。

　　該項(xiàng)目組利用國(guó)際上最大的射電望遠(yuǎn)鏡——位于智利北部的ALMA陣列，觀(guān)測(cè)到宇宙早期某顆類(lèi)星體所發(fā)射的光束，在途徑距離地球125億光年外的宇宙某區(qū)域時(shí)，出現(xiàn)了比較明顯的氧吸收現(xiàn)象，導(dǎo)致課題組觀(guān)測(cè)到的宇宙早期中性氧吸收線(xiàn)出現(xiàn)明顯的折疊?！斑@說(shuō)明該片區(qū)域存在一個(gè)較強(qiáng)的氧元素吸收體，而該吸收體中存在的氧元素，便是周?chē)窍低ㄟ^(guò)自身的反饋?zhàn)饔谩畳仭胗钪嬷校M(jìn)而富集于此的?！辈虓樥f(shuō)。

　　大質(zhì)量星系“拋”出的氧元素富集，導(dǎo)致中性氧吸收線(xiàn)出現(xiàn)折疊  清華大學(xué)供圖 

　　在進(jìn)行了仔細(xì)地?cái)?shù)據(jù)分析和處理后，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)位于這些宇宙早期星際介質(zhì)中氧元素附近的候選星系，該星系與氧吸收體的距離約6萬(wàn)光年。這一發(fā)現(xiàn)表明，大質(zhì)量星系的反饋?zhàn)饔每赡鼙戎跋氲闹匾?/p>

　　在進(jìn)一步的觀(guān)測(cè)中，課題組將該星系與理論上的數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比，并發(fā)現(xiàn)該候選星系的質(zhì)量要比通過(guò)現(xiàn)有理論預(yù)言的質(zhì)量重1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，且該星系與其吸收體的距離也超出理論預(yù)測(cè)的1個(gè)量級(jí)。

　　“這清晰地表明，宇宙早期星際介質(zhì)中的重元素，也許并不全部起源于小質(zhì)量星系的活動(dòng)，大質(zhì)量星系的貢獻(xiàn)很可能比先前科學(xué)界所認(rèn)為的要重要得多?！辈虓樥f(shuō)。

　　通過(guò)測(cè)算，課題組還發(fā)現(xiàn)，大質(zhì)量星系通過(guò)反饋?zhàn)饔孟蛴钪婵臻g“拋”出氣體和元素的距離，可能比我們此前預(yù)想得要更遠(yuǎn)。蔡崢表示，以本次觀(guān)測(cè)的星系為例，該星系的光度約為太陽(yáng)光度的一億倍，其可以將氧等重元素拋到六萬(wàn)光年之外。相比之下，人們通常認(rèn)為銀河系星盤(pán)的直徑也只有大約20萬(wàn)光年左右。

　　蔡崢表示，該發(fā)現(xiàn)對(duì)于目前科學(xué)界通行的星系反饋和大質(zhì)量星系形成的理論形成了一定的挑戰(zhàn)，對(duì)于我們理解大質(zhì)量星系的形成與演化有著關(guān)鍵意義。

　　相關(guān)論文信息： https://doi.org/10.1038/s41550-021-01471-4