历经数十年搜寻，天文学家找到宇宙“失踪”的氢

IT之家 4 月 13 日消息，一项针对早期宇宙的全新大规模观测研究，极大扩充了围绕年轻星系的已知氢气体晕数量，揭示出这类结构远比此前认知的更为普遍、形态也更多样。

天文学家通过分析霍比-埃伯利望远镜暗能量巡天项目（HETDEX）的数据，在 100 亿至 120 亿年前的星系周围，发现了数以万计的巨型氢气体晕 —— 这类结构被称为“莱曼 α 星云”。

据IT之家了解，这一时期被称作宇宙正午，是星系恒星形成速率达到顶峰的阶段。维持这种高速成长需要大量氢气体补给，而氢正是构成恒星的主要原料。但在此之前，人类仅探测到极少数这类气体晕。

发表于《天体物理学杂志》的一项新研究，将已知气体晕数量提升了十倍 —— 从约 3000 个增至 33000 多个。该发现证实这类结构并非罕见，而是普遍存在；同时也拓展了观测到的尺寸范围，为研究早期星系的形成与演化提供了更完整的数据集。

“过去二十多年里，我们一直在分析屈指可数的几个天体。”该研究第一作者、HETDEX 数据管理员艾琳 · 门图奇 · 库珀表示，“HETDEX 让我们发现了更多这类气体晕，并测量它们的形态与尺寸，真正构建出一份极具价值的统计星表。”

氢气体本身不发光，因此难以被直接观测。但当它靠近充满紫外辐射恒星的星系等高能天体时，辐射会激发气体发光。捕捉这种微弱信号需要高灵敏度设备进行长时间观测，而这类设备资源通常十分紧缺。

填补缺失的结构

此前的巡天仅发现了部分最明亮、最极端的气体晕；同时，针对早期星系的精细观测往往聚焦范围过窄，会遗漏星系外围更小区域之外的结构。这导致中等尺寸的气体晕大多未被发现。

HETDEX 项目正填补这一空白。该项目依托麦克唐纳天文台的霍比-埃伯利望远镜，对超过一百万个星系进行测绘，以深入研究暗能量。

“我们已采集了近半拍字节的数据，不仅涵盖这些星系，还包括星系之间的区域。”论文合著者、HETDEX 首席研究员、得克萨斯大学奥斯汀分校天文系主任卡尔 · 格布哈特介绍，“我们的观测天区面积相当于 2000 多个满月，规模空前庞大。”

“霍比-埃伯利望远镜是全球最大的望远镜之一。”论文合著者、得克萨斯大学奥斯汀分校博士后、HETDEX 科学家达斯汀 · 戴维斯补充道，“其搭载的设备单次观测可获取 10 万条光谱，因此我们拥有海量数据，还有各种新奇、有趣、奇特的天体等待被发现。”

新发现的气体晕直径从数万到数十万光年不等。部分是包裹单个星系、呈橄榄球状的简单云团，另一些则是包含多个星系的巨大不规则结构。“那些是最有意思的，”门图奇 · 库珀说，“它们看起来像巨型阿米巴原虫，触须向宇宙空间延伸。”

深化对星系形成的认知

研究团队从 HETDEX 目前已识别的 160 多万个早期星系中，筛选出 7 万个最亮的星系，借助得克萨斯高级计算中心的超级计算机，分析哪些星系存在外围气体晕 —— 这类结构特征为中心致密氢区与外围弥散云团。

近半数星系具备该结构。但门图奇 · 库珀表示，这一比例很可能低于真实值：“我们推测，最暗弱的系统亮度不足，无法完全展现其真实尺寸。”

团队预计，这份扩充后的星表将推动更多早期宇宙相关研究，包括宇宙结构形成、物质分布规律，以及星系的运动与相互作用。随着 33000 多个气体晕被确认，研究者的重心将从“寻找天体”转向“精细研究”。

“针对这一时期的星系已有多种模型，大多能自圆其说，但仍存在缺陷与空白。”戴维斯解释，“如今我们可以聚焦单个气体晕，更细致地探究其背后的物理机制，进而修正或摒弃现有模型，重新推演。”

参考资料：

• https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ae44f3