宇宙中另一半的氢气终于被找到了

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翻译：葛文迪

校对：牧夫校对组

编排：陈宏宇

后台：朱宸宇

https://aasnova.org/2025/01/08/far-away-fossils-clues-from-a-high-redshift-galaxy/

天文学家在统计当今宇宙中所有普通物质（恒星、星系和气体）时，发现其数量远远低于136亿年前大爆炸产生的总物质。实际上，超过一半的普通物质——即宇宙中15%的非暗物质中的一半——无法在我们看到的发光恒星和气体中得到解释。

然而，新的测量结果似乎发现了这种缺失的物质，它们以非常稀薄且不可见的电离氢气的形式存在，这种气体形成了围绕星系的晕圈，并且比天文学家此前认为的更加膨胀和广泛。

这一发现不仅解决了天文观测与大爆炸以来宇宙演化最佳、经验证的模型之间的矛盾，还表明星系中心的超大质量黑洞比之前认为的更加活跃，它们喷射出的气体比预期的远离星系中心的距离要远得多——研究团队发现这一距离大约是之前的五倍。

加州大学伯克利分校的米勒博士后研究员、研究报告的第一作者Boryana Hadzhiyska说： “我们认为，当我们远离星系时，我们能够找到所有缺失的气体。为了更准确地得出结论，我们需要进行仔细的模拟分析，而我们目前还没有完成这项工作。我们希望把这项工作做到尽善尽美。”

这张概念图描绘了围绕银河系（中心）以及其两个卫星星系——大麦哲伦云和小麦哲伦云的热氢气晕圈。这个晕圈比天文学家最初认为的更加广泛，并且包含了足够多的氢气，可以解决宇宙中缺失的重子质量的问题。图片来源：NASA/CXC/M.Weiss；NASA/CXC/Ohio State/A Gupta et al

劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的高级科学家Simone Ferraro说 ：“这些测量结果肯定与发现所有气体是一致的。”他在三年前发表的分析中已经发现了这种广泛电离氢晕圈的迹象。

对星系进行叠加分析

虽然仍然神秘的暗物质占据了宇宙中大部分物质（约84%），其余部分则是普通物质。普通物质中只有大约7%以恒星的形式存在，其余部分则以不可见的氢气形式存在——其中大部分是电离态的——存在于星系以及连接星系的宇宙网络的丝状结构中。

这种丝状网络中的电离气体及其相关的电子被称为温热星系际介质，由于其温度过低且分布过于稀薄，无法通过天文学家通常使用的技术进行观测，因此直到现在仍然难以捉摸。

在新论文中，研究人员通过对大约700万个星系的图像进行叠加分析（所有这些星系都位于距离地球大约80亿光年以内），估算出围绕星系的电离氢的分布，并通过测量宇宙微波背景辐射因被电离气体中的电子散射而产生的微弱变暗或变亮，即所谓的动力学苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应，来实现这一目标。

为了探测围绕非常明亮的红星系的电离氢气的微弱信号，研究人员将超过一百万个星系的图像叠加在一起。这四幅图像显示了不同距离地球的星系叠加，仅展示了受电子散射影响的电磁频率范围（即动力学苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应）。蓝色和绿色代表宇宙微波背景（CMB）辐射的微小温度变化。黄色中心表示被这些星系周围广泛氢气晕圈散射的CMB光。在可见光下，这些星系将仅显示为黄色区域中心的几个像素点。图片来源：Boryana Hadzhiyska and Simone Ferraro，数据来自DESI和ACT；Hadzhiyska等人

Ferraro说： “宇宙微波背景辐射是我们看到的宇宙中所有事物的背景。它是可观测宇宙的边缘。因此，你可以将其用作背景光，来观察气体的位置。”

所使用的星系图像均为亮红星系，由位于亚利桑那州图森基特峰国家天文台的梅亚尔4米望远镜上的暗能量光谱仪（DESI）收集。DESI由总部位于伯克利实验室的合作团队建造，正在对数千万个星系和类星体进行观测，以构建一个覆盖从地球到110亿光年范围的三维宇宙地图，从而测量暗能量对宇宙膨胀的影响。

对这些星系周围的宇宙微波背景（CMB）的测量是由智利的阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT）完成的，该望远镜在2022年退役之前，完成了迄今为止对CMB最精确的测量。

由阿塔卡马宇宙学望远镜获取的宇宙微波背景辐射地图。两个圆圈标出了电离氢气散射辐射的区域，这种散射留下了可以用来估算围绕星系的气体数量的特征。图片来源：ACT；《宇宙学与天体粒子物理学杂志》（2017）。DOI:10.1088/1475-7516/2017/06/031

此次分析是与斯坦福大学的研究生Bernardita Ried Guachalla、位于门洛帕克的SLAC国家加速器实验室的员工科学家Emmanuel Schaan以及DESI和ACT团队合作完成的。

星系反馈

天文学家通常认为，星系中心的超大质量黑洞仅在其形成阶段会以物质喷流的形式喷射气体，当时中心黑洞正在吞噬气体和恒星，并产生大量辐射。这使得它们成为天文学家所称的活动星系核（AGN）或类星体。

如果像这项新研究暗示的那样，星系周围的电离氢晕圈比之前认为的更加稀薄，但也更加广泛，那么这意味着中心黑洞可能在其生命周期的其他阶段也会变得活跃。

Hadzhiyska 说：“我们不理解的一个问题是关于活动星系核的，其中一个假设是它们会在所谓的占空比周期中偶尔开启和关闭。”

天文学家将气体的喷射及其随后回落到星系盘的过程称为反馈，这种反馈会调节整个星系中恒星的形成。Ferraro、Schaan及其同事在2020年之前的报告中已经发现了更广泛反馈的迹象，当时Schaan是伯克利实验室的博士后研究员。

但新的研究纳入了更多的星系，并得出了更精确的测量结果。随后，Ried Guachalla通过DESI光谱样本确认了这些发现，并且能够研究更靠近我们的星系中的气体，强调这些气体并不是均匀分布在星系周围，而是沿着贯穿宇宙的“宇宙丝状结构”分布。

DESI合作项目制作了迄今为止最大的宇宙三维地图，并用它来研究暗能量。在这个可视化图像中，地球位于中心，每一个点代表一个星系。图片来源：DESI合作项目以及KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/R.Proctor

Hadzhiyska指出，当前的星系演化模拟需要在其模型中纳入这种更强烈的反馈。一些新的模型已经开始这样做了，以产生更强大且与新数据更一致的模拟结果。

在宇宙中找到缺失的物质（重子）也对宇宙演化的其他方面具有重要意义。

“知道气体在哪里已经成为从当前和未来的调查中获取宇宙学信息的最严重的限制因素之一。我们有点撞到了这堵墙，现在正是解决这些问题的合适时机。”费拉罗说，“一旦你知道气体在哪里，你就可以问，‘这对宇宙学问题有什么影响？’”

Hadzhiyska说，从这些大质量星系的核心喷射出的气体挑战了气体跟随暗物质的假设。低估这种气体喷射可能会在宇宙学模型中引入不一致，而新的结果实际上可能解决一些关于宇宙结构有多密集的问题。

Hadzhiyska 说：“有很多人对使用我们的测量结果进行非常深入的分析感兴趣，这些分析将包括这种气体。天文学家非常关心这一点，因为它有助于理解星系的形成和演化。”

Hadzhiyska表示，该团队使用的技术——动力学苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应——也可以用来探测早期宇宙。这可能为科学家提供关于宇宙的大尺度结构以及早期宇宙的物理规律的见解，并使他们能够对引力和广义相对论进行检验。

责任编辑：郭皓存