数十年搜寻后天文学家终找到宇宙失踪氢

宇宙失踪氢之谜

天文学家十年攻坚，首次大规模“点亮”早期宇宙的隐形氢气晕

关键突破速览

• ✅ 已知莱曼α星云数量暴增：3000 → 33000+（+1000%）
• ✅ 覆盖宇宙年龄仅10–120亿年（红移 z ≈ 2–3）的“宇宙正午”黄金期
• ✅ 首次系统揭示中等尺度氢晕——填补观测空白的“缺失一环”
• ✅ 晕结构跨度达数万至数十万光年，形态如“太空变形虫”

氢是宇宙中含量最丰富的元素，在宇宙系统的结构和演化中起着基础性作用。它主要形成于大爆炸时期，以从中性原子气体到电离等离子体等多种状态存在于整个宇宙空间。图片来源：Shutterstock

为什么氢“失踪”了？

氢气本身不发光——它像宇宙中的“透明幽灵”。只有当被邻近星系强烈的紫外线照射时，才会发出特定波长的莱曼α辉光（121.6纳米）。这种信号极其微弱，需超大口径望远镜+超长时间曝光才能捕获。

一项针对早期宇宙的大规模新调查极大地扩充了已知的年轻星系周围氢气晕的数量，揭示出这些结构比之前认为的要普遍和多样得多。

HETDEX：暗能量实验意外解锁氢宇宙

霍比埃伯利望远镜暗能量实验（HETDEX）本为绘制百万星系图谱研究暗能量，却因超高通量光谱能力（单次观测生成10万条光谱）与超广域巡天覆盖（>2000满月天区），成为探测弥散氢晕的“神级副产品”。

天文学家通过分析霍比埃伯利望远镜暗能量实验（HETDEX）的数据，发现了数万个巨大的氢气晕——被称为莱曼α星云——它们围绕着100亿到120亿年前存在的星系。

宇宙正午：恒星诞生的巅峰时刻

这个被称为宇宙正午的时期，标志着星系以峰值速率形成恒星的阶段。维持这种增长需要大量氢气供应，而氢气是恒星形成的主要成分。然而，直到最近，人们只探测到少数这样的晕。

《天体物理学杂志》发表的一项研究现已将已知的这类晕的数量增加了十倍，从约3000个增至33000多个。这一发现表明，此类结构很常见而非罕见。它还扩大了观测到的尺寸范围，为研究人员提供了更完整的数据集，以研究早期星系是如何形成和演化的。

科学家说

艾琳·门图奇·库珀（HETDEX数据经理、该研究主要作者）：

“过去20年左右的时间里，我们一直在分析为数不多的同一批天体。HETDEX让我们能找到更多这样的晕，并测量它们的形状和大小。它确实让我们得以创建一个令人惊叹的统计目录。”

填充缺失的结构

早期的调查检测到了其中一些晕，但只有最亮和最极端的例子。同时，对早期星系的详细观测往往聚焦得过于紧密，以至于错过了最小周边区域之外的任何东西。因此，中等大小的晕在很大程度上被忽视了。

HETDEX目前正帮助填补这一空白。该项目利用麦克唐纳天文台的霍比埃伯利望远镜，绘制超过一百万星系的图谱，以更好地理解暗能量。我们已捕获近半PB的数据，不仅涵盖这些星系，还包括它们之间的区域，HETDEX首席研究员、得克萨斯大学奥斯汀分校天文学系主任、该论文合著者卡尔·格布哈特表示。我们的观测覆盖了天空中超过2000个满月大小的区域，范围巨大且前所未有。

在HobbyEberly望远镜暗能量实验（HETDEX）的数据中发现的一个巨大氢气晕，叠加在詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）深度成像中看到的其位置上。该系统存在于113亿年前，它的光芒来自其内部众多星系的组合光，最亮区域用红色表示。利用HETDEX的数据，天文学家将已知的这类光晕数量增加了十倍以上——从大约3000个增加到33000多个。图片来源：NASA、ESA、CSA、STScI。

霍比埃伯利望远镜是世界上最大的望远镜之一，德克萨斯大学奥斯汀分校的博士后研究员、HETDEX科学家兼该研究的合著者达斯汀·戴维斯补充道。而且HETDEX使用的仪器每次观测能产生10万条光谱。因此，我们拥有海量数据，还有各种各样有趣、新奇、怪异的事物等着我们去发现。

这些新发现的光晕直径从数万到数十万光年不等。有些呈现为围绕单个星系的简单橄榄球形云团，而另一些则是包含多个星系的大型不规则结构。那些是有趣的案例，MentuchCooper说。它们看起来像带有触手延伸至太空的巨型变形虫。

如何定位33000+个氢晕？

• 从HETDEX已识别出的160多万个早期星系中筛选出70000个最明亮样本
• 利用得克萨斯高级计算中心超级计算机，逐个分析氢晕特征信号
• 特征识别：致密氢中心 + 弥散外层云团（莱曼α发射轮廓）
• 结果：近一半星系具此结构；实际比例或更高（暗星系未完全显现）

该团队期望这个扩充后的目录能支持对早期宇宙的进一步研究，包括宇宙结构如何形成、物质如何分布以及星系如何运动和相互作用。目前已识别出超过33000个晕，研究人员可以将重点从寻找这些天体转向对它们进行详细研究。

戴维斯解释道：关于这个时期的星系，有多种模型大体上是有效的，也似乎合理，但仍存在一些漏洞和不足。现在我们可以聚焦于单个晕，更详细地了解正在发生的物理过程和机制。然后我们可以修正或摒弃这些模型，再尝试新的。

参考文献

《跨越宇宙正午的Lyα晕与blob之间最大规模的统计普查》，作者：艾琳门图奇库珀、卡尔格布哈特、达斯汀戴维斯、罗宾恰杜洛、克里斯拜罗尔、刘辰旭、玛雅H德布斯基、奥斯卡A查韦斯奥尔蒂斯、马克西米利安法布里修斯、丹尼尔J法罗、史蒂文L芬克尔斯坦、卡里尔格伦沃尔、加里J希尔、玛雅卢扬尼迈耶、布里安娜麦凯、白川真朗、大内正美、胡布勒特格灵、唐纳德P施耐德、萨拉塔特尔、卢茨维索茨基、格雷戈里蔡曼、翟赛，《天体物理学杂志》近期，DOI 10.3847/1538-4357/ae44f3

相关知识

宇宙是时间、空间及其中所有物质与能量的总和，包含星系、恒星、行星、暗物质等。主流理论认为它起源于约138亿年前的大爆炸，随后不断膨胀。人类通过望远镜、探测器等工具探索其奥秘，它的浩瀚与未知始终激发着我们对世界本质的好奇与探索欲。

BY: University of Texas at Austin

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参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3.原文来自： https://scitechdaily.com/after-decades-of-searching-astronomers-finally-track-down-the-universes-missing-hydrogen/

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