天文學家發現“不可能存在”的星系團，挑戰既有認知

IT之家 1 月 8 日消息，天文學家在宇宙大爆炸發生僅 14 億年后的宇宙空間中，發現了一個看似“不可能存在”的星系團，這個星系團內竟擠下了 30 多個星系，而其覆蓋范圍僅為 50 萬光年，且內部溫度完全顛覆了現有認知。

據IT之家了解，這一編號為 SPT2349-56 的星系團由智利阿塔卡馬大型毫米波 / 亞毫米波陣列望遠鏡（ALMA）觀測發現，它的存在對人類關于“星系及星系團形成速度”的既有認知構成了挑戰。

加拿大新斯科舍省達爾豪斯大學天文學教授斯科特?查普曼在一份聲明中表示：“這一發現告訴我們，早期宇宙中一定存在一些東西，很可能是該星系團內 3 個新近發現的超大質量黑洞，它們向周邊環境釋放了巨大能量，并塑造著這個年輕的星系團。這一過程比我們此前預想的要早得多，也劇烈得多。”

星系團內部充斥著一團熾熱的氣體，被稱為“星系團內介質”。加拿大不列顛哥倫比亞大學博士生、該研究論文的第一作者周大志（Dazhi Zhou，音譯）將其比作星系團的“大氣”。在大多數星系團中，星系團內介質的溫度可達數千萬甚至數億攝氏度。

天體物理學家曾認為，星系團內介質需要經過數十億年的演化才能達到如此高溫，但 SPT2349-56 星系團的發現推翻了這一觀點。

周大志指出：“我們從未想過，在宇宙演化史如此早期的階段，會出現溫度這么高的星系團‘大氣’。這里的氣體溫度至少是理論預測值的 5 倍，甚至比許多現存星系團的氣體溫度更高、能量更強。”

研究人員通過“蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應”間接測量出了 SPT2349-56 星系團的星系團內介質溫度。該效應的原理是：星系團會在宇宙微波背景輻射（即大爆炸殘留的熱輻射）上留下“印記”。當宇宙微波背景輻射的光子進入星系團時，會與星系團內介質中的電子發生散射，從而獲得能量增益。星系團內介質溫度越高，電子運動速度就越快，光子與電子碰撞時獲得的能量增量也就越大。這種能量增益會在對應星系團位置的宇宙微波背景輻射中顯現出來。

此前，天文學家也曾發現過比 SPT2349-56 星系團更古老、距離地球更遙遠的星系團。例如，2019 年，天文學家借助雙子望遠鏡、凱克望遠鏡和昴星望遠鏡，發現了一個編號為 z660D 的星系團（編號中的數字代表其紅移值），我們觀測到的它，處于宇宙大爆炸后 7.7 億年的狀態，距今約 130 億年。2023 年，詹姆斯?韋布空間望遠鏡（JWST）又發現了一個更早期的星系團 A2744z7p9OD，其存在時間僅為大爆炸后 6.5 億年。

但這些早期星系團與 SPT2349-56 的關鍵區別在于：前者屬于“原星系團”，意味著它們尚未通過引力完全束縛在一起。根據人類目前最完善的星系團形成模型，星系團內介質的升溫，源于星系在引力作用下坍縮形成穩定束縛態的動力學過程。

因此，這些原星系團的星系團內介質溫度目前并不高，且模型預測它們在未來數十億年內都不會達到高溫狀態。相比之下，SPT2349-56 星系團的演化進程似乎“大幅超前”，這表明人類現有的星系團成長及升溫模型仍存在缺陷。

SPT2349-56 與此前發現的原星系團有一個共同特征，即都處于劇烈的恒星形成階段。SPT2349-56 的規模與銀河系周圍的古老恒星暈及暗物質暈相當，因此其內部的 30 多個星系體積都相對較小。但這些星系的“小巧”狀態并不會持續太久，它們內部的恒星形成速率是銀河系的 5000 倍。銀河系平均每年誕生的恒星數量不足 10 顆，而這些星系的恒星形成活動則要劇烈得多。

周大志表示：“我們希望弄清楚，劇烈的恒星形成活動、活躍的黑洞以及這片過熱的‘大氣’之間存在怎樣的相互作用，這又能為我們揭示現存星系團的形成過程提供哪些線索。在這樣一個年輕且致密的系統中，所有這些現象怎么會同時發生？”

截至目前，這個問題仍沒有答案。不過，相關研究成果已于 1 月 5 日發表在《自然》期刊上。