▲FAST探测到的在著名致密星系群“斯蒂芬五重星系”周围天区中的原子气体分布。图/中科院国家天文台
中国天眼FAST望远镜再次获得创新成果。
据新京报报道，近日，由中国科学院国家天文台研究员徐聪领导的国际天文研究团队，在一个备受关注的致密星系群“斯蒂芬五重星系”及周围天区，发现了极为暗弱而分布广泛的氢原子气体结构，其尺度大约为2百万光年，比银河系还大20倍，这是迄今为止在宇宙中探测到的最大的原子气体结构，对当前的星系形成和演化理论提出了新的挑战。相关成果10月19日在国际学术期刊《自然》在线发表。
为什么是FAST？
2016年落成的“中国天眼”FAST望远镜，全名是500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope），位于贵州省平塘县克度镇喀斯特洼地，它面积相当于30个足球场，是当今世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜（射电即无线电，是电磁波谱里波长最长的波段，几乎任何低温物体都会发射无线电波）。FAST拥有更大的接收面积，意味着能够探测更暗弱、更遥远的天体信号，从而可以扩大观测样本数量，可以提高发现奇特天文学现象的几率。
FAST望远镜从基础工程建设方面创造了一种建造大型射电望远镜的新模式，在科学目标方面将在未来20年至30年内保持其世界一流的地位。尤其是在美国设在波多黎各的350米口径的阿雷西博射电望远镜在2020年坍塌之后，FAST更成为同类大型望远镜中唯一的“天眼”。
这样的科学基础设施，不仅仅是一架望远镜，一座天文台，实际上相当于一个科研中心，它不仅对中国科学家开放，全世界天文学家都可以申请观测项目和望远镜时间。
自2020年初通过国家验收以来，FAST望远镜保持高质量开放运行，在中性氢谱线测量星际磁场、快速射电暴、脉冲星搜索等国际天文前沿领域取得新的重要科学成果。比如FAST发现的脉冲星数量已经超过 660颗，是同期国际其他望远镜发现总数的5倍以上。
挑战现有星系形成理论
这次探测到的“斯蒂芬五重星系”周围天区的原子气体分布，即得益于FAST超高灵敏度下对极端暗弱天体的探测能力。
“斯蒂芬五重星系”是一个古老又不断变化的相互作用星系群，主要有五个大型星系（其中一个是前景星系）。在大型望远镜和多波段观测下，可以看到更多的星系成员，它们展现出复杂的相互作用，特别是高速入侵的星系NGC 7318b（NGC，全名为New General Catalogue，星云和星团新总表）与群内物质发生碰撞，引发了剧烈的恒星形成过程和激波行为。因此这个星系群自从1877年被发现以来，一直是天文学领域最受关注的目标之一。
FAST望远镜观测的是该星系群此前未受注意的部分：中性氢即氢原子分布结构。这种气体会发射出波长为21厘米的射电波，与该星系团激烈的活动行为相比，它极其暗弱。这正是FAST望远镜能发挥作用的地方。
天文学家们使用了FAST望远镜的19波束接收器，对该星系群周围相当于满月大小的区域进行了深度观测，获得了304个光谱。结果表明，在远离该星系群中心的外围空间，存在大尺度的低密度原子气体结构。
这个结构出乎意料，因为根据现有星系形成理论，宇宙最初存在的就是中性氢气体，可是在后来的恒星和星系形成过程中会发射出强烈的星风（主要在紫外波段的高能辐射），从而驱散星系群周围的这些中性氢气体，而且，它们也很容易被驱散。
因此这项观测结果提出了新的问题：为什么在该星系群周围还有这些气体，它们是如何经过十亿年以上时间还保留下来的？在宇宙其他星系群、星系团周围这是否是普遍情况？这对星系形成过程理论和计算机模拟都提出了新的挑战。
这篇10月19日发表的论文，只是FAST进入运行以来取得最新重要成果之一。2021年3月31日，FAST正式向全球开放共享，最终批准了14个国家的27份国际项目。FAST保持了稳定运行，年观测时长超过5300小时，已远超国际同行预期。
中国天眼FAST望远镜还积极展开国际合作，与高能波段的重要空间天文设施费米伽马射线天文台大视场望远镜(Fermi-LAT)相结合，进行天地一体化协同和后随观测，具有产生重大科学突破的潜力。这些科学成果很可能会继续深化人类对宇宙的认知，使人类对浩瀚宇宙的探索更进一步。这值得期待。
撰稿/孙正凡（科普作家）
责任编辑：陈琰 SN225
