藝術(shù)想象圖：127億光年外的巨型原初星系團(tuán)
■本報(bào)記者 倪思潔
在到達(dá)地球之前，這束光走了127億年。漫長(zhǎng)的跋涉，加上宇宙的膨脹拉伸，讓它的能量微弱而暗淡。
同一時(shí)間，地球，智利拉斯坎帕納斯天文臺(tái)。麥哲倫天文望遠(yuǎn)鏡“賣(mài)力”地進(jìn)行星系光譜巡天。科學(xué)家們正借助這臺(tái)設(shè)備，建立一個(gè)高紅移星系數(shù)據(jù)庫(kù)，以期解開(kāi)宇宙演化形成之謎。
偶然的一瞬，這束微弱的光與望遠(yuǎn)鏡光譜儀上的探測(cè)器相遇。一個(gè)明顯而確定的峰值出現(xiàn)在北京大學(xué)天文學(xué)家江林華面前。
在線發(fā)表于《自然—天文》
江林華及北大科維理研究所團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這束光來(lái)自一個(gè)巨大原初星系團(tuán)，它最終會(huì)演化成一個(gè)約3600萬(wàn)億倍太陽(yáng)質(zhì)量的星系團(tuán)。10月15日，這一發(fā)現(xiàn)。
追尋宇宙“幼升小”時(shí)的模樣
江林華的工作有點(diǎn)類(lèi)似于“宇宙考古”——尋找宇宙中最遙遠(yuǎn)的星系，探索宇宙“小時(shí)候”的模樣。
和所有生物一樣，宇宙也曾是個(gè)“寶寶”。一直以來(lái)，科學(xué)家認(rèn)為，宇宙是在約137億年前由一次大爆炸形成的。
大爆炸之初，嬰兒期的宇宙處于極高溫、極高壓狀態(tài)，只有光子、質(zhì)子、中子等基本粒子。之后，宇宙慢慢冷卻，花了幾十萬(wàn)年時(shí)間形成了原子等基本物質(zhì)結(jié)構(gòu)。那時(shí)候的宇宙一片黑暗，沒(méi)有太陽(yáng)，沒(méi)有星星。
如果說(shuō)今天的宇宙是個(gè)百歲老人，那么，宇宙在大概7歲，也就是在“幼升小”的年紀(jì)時(shí)，出現(xiàn)了一次重大變化——在引力作用下，宇宙大尺度結(jié)構(gòu)開(kāi)始形成，最原始的恒星、星系、黑洞出現(xiàn)，宇宙被點(diǎn)亮了。
江林華感興趣的問(wèn)題之一，正是宇宙是怎么完成“幼升小”的，包括“宇宙中第一批天體如何出現(xiàn)”“最原始的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)是怎么形成的”“宇宙從黑暗到明亮的過(guò)渡是何時(shí)完成的”……
這些問(wèn)題尚無(wú)確定的答案。之所以如此，是因?yàn)橛^測(cè)數(shù)據(jù)有限，統(tǒng)計(jì)口徑不一。想解決這些問(wèn)題，就要依賴(lài)高探測(cè)能力的天文望遠(yuǎn)鏡，在如今明亮的宇宙中“淘”出更多百億年前留下的、遠(yuǎn)超人眼可觀察范圍的微弱光芒。
2014年9月，江林華帶著在美國(guó)求學(xué)時(shí)積累的觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)和合作資源，回到北京大學(xué)。第二年，他和北大的科研團(tuán)隊(duì)一起，借助科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金委等項(xiàng)目資助，依托位于智利的麥哲倫天文望遠(yuǎn)鏡，開(kāi)始了組建星系樣本庫(kù)的征途。
按照江林華的預(yù)期，這個(gè)樣本庫(kù)將為研究宇宙“幼升小”的歷史提供數(shù)據(jù)支撐。樣本庫(kù)中的星系不僅都來(lái)自于宇宙“幼升小”年代的星系候選體，而且要經(jīng)過(guò)光譜確證，測(cè)出距離地球的精確距離。
偶遇一束從遠(yuǎn)古走來(lái)的光
2017年的一天，麥哲倫天文望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)器對(duì)準(zhǔn)了一塊不算大(約4平方度，近似于5個(gè)滿(mǎn)月大小)的天區(qū)，然后把“視線”向更深處望去，為的是從目前星系團(tuán)候選體中篩選出確定者，并確定它們的位置。
之后，數(shù)據(jù)分析人員意外地發(fā)現(xiàn)，光譜圖在紅移5.7的位置上出現(xiàn)了一個(gè)不在計(jì)劃中的峰值。
“紅移”是天文學(xué)家們用來(lái)判斷光“跋涉”了多遠(yuǎn)的工具。
一般來(lái)說(shuō)，光剛被發(fā)射出來(lái)時(shí)，具有較高的能量，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的傳遞和宇宙空間拉伸后，能量降低。而光譜儀可以分辨出光的能量，并判斷光從剛發(fā)出至今的時(shí)間和距離。紅移越高，就說(shuō)明光源距離地球越遠(yuǎn)。
盯著這個(gè)峰值，江林華想看一看這束紅移5.7的光是何方神圣。
“紅移5.7”正好對(duì)應(yīng)著距今127億年前，那時(shí)候的宇宙距離大爆炸的時(shí)間大約在10億年，宇宙處在“幼升小”的年紀(jì)。“這么巧!”江林華感嘆。
之后的研究結(jié)果，讓他們更為驚嘆——這束光來(lái)自一個(gè)巨大的原初星系團(tuán)，或者說(shuō)星系團(tuán)的巨大前身。
通過(guò)天體物理學(xué)理論分析和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)巨大的原初星系團(tuán)最終會(huì)“百分之百地”“不可避免地”發(fā)展成一個(gè)約3600萬(wàn)億倍太陽(yáng)質(zhì)量的星系團(tuán)。
宇宙早期已知的最大質(zhì)量原初星系團(tuán)
這可能是宇宙早期已知的最大質(zhì)量的原初星系團(tuán)，但同時(shí)，這也是一個(gè)反常。
“它就像一座城市，星系密度很高，是同一時(shí)期其他區(qū)域星系密度的近7倍。”江林華說(shuō)，目前尚未發(fā)現(xiàn)在宇宙早期會(huì)有如此大尺度和高密度的結(jié)構(gòu)。
按照標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型的預(yù)言，宇宙中大尺度結(jié)構(gòu)的形成類(lèi)似于滾雪球，小的結(jié)構(gòu)通過(guò)合并，形成更大的結(jié)構(gòu)。也就是說(shuō)，最大的結(jié)構(gòu)往往形成于宇宙演化的后期，如此大的原初星系團(tuán)在宇宙少年時(shí)代不太可能存在。
可是，新發(fā)現(xiàn)的這個(gè)巨型原初星系團(tuán)卻出現(xiàn)在宇宙“幼升小”的年紀(jì)。“這表明宇宙很早就有了大尺度的結(jié)構(gòu)。”江林華說(shuō)。
這樣的反常，曾經(jīng)引起過(guò)論文評(píng)審人的擔(dān)憂(yōu)。4月16日，《自然—天文》雜志收到論文后，組織了3位評(píng)審人對(duì)文章進(jìn)行評(píng)審。
3個(gè)月后，雜志副主編Marios Karouzos在向江林華反饋審稿意見(jiàn)時(shí)說(shuō)：“3位評(píng)審人對(duì)您提供的數(shù)據(jù)和分析印象深刻，但他們也對(duì)結(jié)論的力度提出了一些擔(dān)憂(yōu)。”
其中一名評(píng)審人說(shuō)：“這些發(fā)現(xiàn)很有趣，但需要更為強(qiáng)有力的分析陳述。”
在評(píng)審專(zhuān)家的建議下，科研人員對(duì)論文研究方法、圖表等的陳述修改完善，最終得到評(píng)審專(zhuān)家的認(rèn)可，論文在9月4日被正式接收。
江林華表示，他的科研團(tuán)隊(duì)還將采用多波段觀測(cè)手段，進(jìn)一步研究這個(gè)原初星系團(tuán)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)，他們也期待著望遠(yuǎn)鏡技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)水平再上一個(gè)臺(tái)階，以幫助他們通過(guò)更大規(guī)模的巡天，找到更多與此次類(lèi)似的原初星系團(tuán)，完善人類(lèi)對(duì)宇宙結(jié)構(gòu)形成的認(rèn)知。
