我國學(xué)者揭示早期宇宙星際間重元素起源之謎

　　9月27日，國際知名天文期刊《自然—天文》（Nature Astronomy）發(fā)表了清華大學(xué)天文系教授蔡崢課題組的研究結(jié)果。課題組通過觀測發(fā)現(xiàn)，大質(zhì)量星體的反饋作用對于早期宇宙重元素起源的影響力，要比之前普遍認知的要大得多。

　　在接受《中國科學(xué)報》采訪時，蔡崢介紹說，在宇宙中，絕大部分物質(zhì)不在星系里，而在星系之間。這部分彌散在星系之間廣袤空間里的物質(zhì)被稱為星系際介質(zhì)。

　　在宇宙大爆炸初期，宇宙中只存在大量的氫、氦和少量的鋰，沒有更重的元素（如碳，氮，氧等）。但是天文學(xué)家們從距離大爆炸僅10億年的宇宙中，利用類星體光譜，確認了星系際介質(zhì)中已經(jīng)存在了較重的元素。

　　“這些早期宇宙中的重元素究竟從何而來，它們又是如何到達星際介質(zhì)中的？這一問題直到今天依然是觀測宇宙學(xué)的一個關(guān)鍵性問題。”蔡崢說，今年4月，《科學(xué)》聯(lián)合上海交通大學(xué)發(fā)布了人類目前125個比較難解的科學(xué)問題，早期宇宙中重元素的起源問題便位列其中。

　　對于這一問題，目前科學(xué)界比較公認的理論認為，早期星際介質(zhì)中的重元素主要是被小質(zhì)量星系的恒星星風(fēng)，或者活動星系核反饋拋射到宇宙空間中的。在這個模型框架下，小質(zhì)量星系的活動似乎是星際介質(zhì)重元素起源的原因。

　　然而在實際觀測中，由于小質(zhì)量星系本身亮度很低，加之星系很可能是被塵埃所遮蔽，傳統(tǒng)的光學(xué)觀測并不能有效地支持這一理論。對此，蔡崢所領(lǐng)導(dǎo)的一個項目將觀測手段轉(zhuǎn)向了射電觀測。

　　該項目組利用國際上最大的射電望遠鏡——位于智利北部的ALMA陣列，觀測到宇宙早期某顆類星體所發(fā)射的光束，在途徑距離地球125億光年外的宇宙某區(qū)域時，出現(xiàn)了比較明顯的氧吸收現(xiàn)象，導(dǎo)致課題組觀測到的宇宙早期中性氧吸收線出現(xiàn)明顯的折疊。“這說明該片區(qū)域存在一個較強的氧元素吸收體，而該吸收體中存在的氧元素，便是周圍星系通過自身的反饋作用‘拋’入宇宙中，進而富集于此的。”蔡崢說。

　　大質(zhì)量星系“拋”出的氧元素富集，導(dǎo)致中性氧吸收線出現(xiàn)折疊  清華大學(xué)供圖 

　　在進行了仔細地數(shù)據(jù)分析和處理后，團隊發(fā)現(xiàn)一個位于這些宇宙早期星際介質(zhì)中氧元素附近的候選星系，該星系與氧吸收體的距離約6萬光年。這一發(fā)現(xiàn)表明，大質(zhì)量星系的反饋作用可能比之前想的重要。

　　在進一步的觀測中，課題組將該星系與理論上的數(shù)值模擬進行對比，并發(fā)現(xiàn)該候選星系的質(zhì)量要比通過現(xiàn)有理論預(yù)言的質(zhì)量重1-2個數(shù)量級，且該星系與其吸收體的距離也超出理論預(yù)測的1個量級。

　　“這清晰地表明，宇宙早期星際介質(zhì)中的重元素，也許并不全部起源于小質(zhì)量星系的活動，大質(zhì)量星系的貢獻很可能比先前科學(xué)界所認為的要重要得多?！辈虓樥f。

　　通過測算，課題組還發(fā)現(xiàn)，大質(zhì)量星系通過反饋作用向宇宙空間“拋”出氣體和元素的距離，可能比我們此前預(yù)想得要更遠。蔡崢表示，以本次觀測的星系為例，該星系的光度約為太陽光度的一億倍，其可以將氧等重元素拋到六萬光年之外。相比之下，人們通常認為銀河系星盤的直徑也只有大約20萬光年左右。

　　蔡崢表示，該發(fā)現(xiàn)對于目前科學(xué)界通行的星系反饋和大質(zhì)量星系形成的理論形成了一定的挑戰(zhàn)，對于我們理解大質(zhì)量星系的形成與演化有著關(guān)鍵意義。

　　相關(guān)論文信息： https://doi.org/10.1038/s41550-021-01471-4