FAST的“小”发现

席金合

2022年，中国科学院国家天文台徐聪研究员领导的国际团队利用FAST对著名的致密星系群斯蒂芬五重星系及周围天区的氢原子气体进行了成像观测，发现了一个尺度大约是200万光年的巨大原子气体系统。它的直径约为银河系的20倍！

斯蒂芬五重星系周围的氢原子气体分布（中间红色光晕部分）

科學家们为什么选择从研究氢原子气体入手呢？一方面是充分利用了FAST对中性氢21厘米谱线辐射具有高灵敏度的观测优势；另一方面，氢原子气体是了解星系演化的重要“物证”。氢是宇宙中诞生的第一种元素，也是丰度最高的元素，可以说，宇宙中所有天体的起源都离不开氢原子气体的参与。在星系碰撞合并的过程中，抛射出来的氢原子气体弥漫到星系团各个区域，科学家可据此反推星系演化的历史模型。

丰度是指一种化学元素在某个自然体中的重量占这个自然体总重量的相对份额，常用百分比表示，例如我们可以说某颗恒星的氢元素丰度为71%

1877年，法国天文学家爱德华·斯蒂芬首次发现了斯蒂芬五重星系。从此，人们一直关注着它。而这次发现的原子气体系统，很可能与斯蒂芬五重星系早期形成时星系间复杂的相互作用有关，已经存在了大约10亿年。尽管它占据的宇宙空间极大，但内部物质却十分稀薄，可以说是一个没有多少分量的庞然大物。斯蒂芬五重星系距离地球2.8亿光年，FAST看到的是它2.8亿年前的样貌。专家认为，这是人类迄今探测到的最大的原子气体结构，并由此猜想，宇宙中可能存在更多这种大尺度的原子气体结构。

观测宇宙中的气体，是天体物理中一个非常重要的研究课题。科学家们普遍认为，宇宙中所有天体的起源都离不开原子气体，例如星系主要的演化过程就是不断吸收散布在宇宙空间的原子气体，最终转化为一个个庞大的可见实体。FAST能够探测到远离星系中心的极其稀薄的原子气体所发出的微弱辐射，为研究天体的起源打开了一个崭新的窗口。

FAST的这一“小”发现，对星系及其气体的演化研究提出了“大”挑战，因为现有理论很难解释为什么在如此漫长的时间里，这些稀薄的原子气体没有被宇宙空间中的紫外背景辐射电离。科学家们之前一直认为，不管是固体星球还是气体星球，最早都是由无数原子组成的庞大气团，后来在强烈的宇宙射线辐射下，原子变成了带有不同电性的微粒，也就是离子。带正电的离子与带负电的离子相互吸引，结合成分子，分子再凝聚起来，形成一个个极其庞大的天体，大量天体进而组成恒星群，并围绕一个中心不停地旋转，就像我们所在的银河系一样。

这个未解之谜给科学家的后续研究找到了一个新突破口。“羡宇宙之无穷”，上下求索的过程总是充满悬念，让人无比期待！

棒旋星系银河系