天文学家发现“不可能存在”的星系团，挑战既有认知

IT之家 1 月 8 日消息，天文学家在宇宙大爆炸发生仅 14 亿年后的宇宙空间中，发现了一个看似“不可能存在”的星系团，这个星系团内竟挤下了 30 多个星系，而其覆盖范围仅为 50 万光年，且内部温度完全颠覆了现有认知。

据IT之家了解，这一编号为 SPT2349-56 的星系团由智利阿塔卡马大型毫米波 / 亚毫米波阵列望远镜（ALMA）观测发现，它的存在对人类关于“星系及星系团形成速度”的既有认知构成了挑战。

加拿大新斯科舍省达尔豪斯大学天文学教授斯科特・查普曼在一份声明中表示：“这一发现告诉我们，早期宇宙中一定存在一些东西，很可能是该星系团内 3 个新近发现的超大质量黑洞，它们向周边环境释放了巨大能量，并塑造着这个年轻的星系团。这一过程比我们此前预想的要早得多，也剧烈得多。”

星系团内部充斥着一团炽热的气体，被称为“星系团内介质”。加拿大不列颠哥伦比亚大学博士生、该研究论文的第一作者周大志（Dazhi Zhou，音译）将其比作星系团的“大气”。在大多数星系团中，星系团内介质的温度可达数千万甚至数亿摄氏度。

天体物理学家曾认为，星系团内介质需要经过数十亿年的演化才能达到如此高温，但 SPT2349-56 星系团的发现推翻了这一观点。

周大志指出：“我们从未想过，在宇宙演化史如此早期的阶段，会出现温度这么高的星系团‘大气’。这里的气体温度至少是理论预测值的 5 倍，甚至比许多现存星系团的气体温度更高、能量更强。”

研究人员通过“苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应”间接测量出了 SPT2349-56 星系团的星系团内介质温度。该效应的原理是：星系团会在宇宙微波背景辐射（即大爆炸残留的热辐射）上留下“印记”。当宇宙微波背景辐射的光子进入星系团时，会与星系团内介质中的电子发生散射，从而获得能量增益。星系团内介质温度越高，电子运动速度就越快，光子与电子碰撞时获得的能量增量也就越大。这种能量增益会在对应星系团位置的宇宙微波背景辐射中显现出来。

此前，天文学家也曾发现过比 SPT2349-56 星系团更古老、距离地球更遥远的星系团。例如，2019 年，天文学家借助双子望远镜、凯克望远镜和昴星望远镜，发现了一个编号为 z660D 的星系团（编号中的数字代表其红移值），我们观测到的它，处于宇宙大爆炸后 7.7 亿年的状态，距今约 130 亿年。2023 年，詹姆斯・韦布空间望远镜（JWST）又发现了一个更早期的星系团 A2744z7p9OD，其存在时间仅为大爆炸后 6.5 亿年。

但这些早期星系团与 SPT2349-56 的关键区别在于：前者属于“原星系团”，意味着它们尚未通过引力完全束缚在一起。根据人类目前最完善的星系团形成模型，星系团内介质的升温，源于星系在引力作用下坍缩形成稳定束缚态的动力学过程。

因此，这些原星系团的星系团内介质温度目前并不高，且模型预测它们在未来数十亿年内都不会达到高温状态。相比之下，SPT2349-56 星系团的演化进程似乎“大幅超前”，这表明人类现有的星系团成长及升温模型仍存在缺陷。

SPT2349-56 与此前发现的原星系团有一个共同特征，即都处于剧烈的恒星形成阶段。SPT2349-56 的规模与银河系周围的古老恒星晕及暗物质晕相当，因此其内部的 30 多个星系体积都相对较小。但这些星系的“小巧”状态并不会持续太久，它们内部的恒星形成速率是银河系的 5000 倍。银河系平均每年诞生的恒星数量不足 10 颗，而这些星系的恒星形成活动则要剧烈得多。

周大志表示：“我们希望弄清楚，剧烈的恒星形成活动、活跃的黑洞以及这片过热的‘大气’之间存在怎样的相互作用，这又能为我们揭示现存星系团的形成过程提供哪些线索。在这样一个年轻且致密的系统中，所有这些现象怎么会同时发生？”

截至目前，这个问题仍没有答案。不过，相关研究成果已于 1 月 5 日发表在《自然》期刊上。