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发现早期宇宙中最大的原初星系团 精选

已有 2382 次阅读 2018-10-17 13:54 |个人分类:科技报道|系统分类:科普集锦| 星系团, 宇宙早期, 原初星系团

我们所生活的银河系,隶属于一个更大的集团——室女座超星系团。那么,星系团是如何形成的?近日,北京大学科维理天文与天体物理研究所(KIAA)中,由江林华研究员领导的课题组有了新发现,他们拍摄到星系团的前身——宇宙早期一个巨型原初星系团在127亿年前发出的星光到达地球的样子。通过对星光的研究,他们发现,该原初星系团将最终塌缩为质量约3600万亿倍太阳质量的星系团。该发现将为研究早期宇宙中的结构形成提供一个有力工具。

情况如何,让我们来进一步了解。

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图1:艺术想象图,127亿光年之外的巨型原初星系团

星系团、原初星系团是什么?为什么这么重要?

我们所生活的银河系,隶属于一个更大的集团——室女座超星系团。作为宇宙中最大的引力束缚结构,星系团是研究星系演化和宇宙学的有力工具。在人们已经发现的较成熟星系团中,最遥远的已达110亿光年之外(即宇宙学红移2.5左右)。那么,星系团是如何形成的?

近年来,越来越多的工作开始搜寻更遥远的原初星系团,即星系团的前身。这些原初星系团为研究宇宙早期结构形成和演化提供理想平台。但是,寻找那些极早期、还在形成过程中的大型原初星系团非常困难。再困难,也要去寻找。


北大KIAA的江林华课题组找到了什么?

最近,由北京大学科维理研究所青年千人学者江林华领衔的国际团队发现了宇宙早期一个超大质量的原初星系团。该原初星系团位于红移5.7处:那时的宇宙年龄仅为10亿年,如果将如今的宇宙比作100岁的老人,那时宇宙才只有7岁。该原初星系团最终会塌缩为质量约3600万亿倍太阳质量的星系团,使之成为现已知的宇宙早期最大质量的原初星系团。


他们是如何找到和认证它的?

江林华及其团队利用位于智利的麦哲伦望远镜深度地对大约四平方度(近似5个满月大小)的天区进行星系光谱巡天,以获得一个均匀的高红移星系大样本,包括红移5.7左右的莱曼发射线星系。他们观测了五个著名的深场,并在一个称为 SXDS的深场中发现了一个红移为5.7的、巨大的星系高密度天区。他们随后利用光谱观测证实了至少41个较亮的莱曼发射线星系。

“在这个天区的中心区域,我们发现了这个原初星系团,简称它为SXDS_gPC。这个原初星系团就像一线城市,星系密度很高,是同一时期其它区域星系密度的近7倍。”江林华介绍。他表示,目前还尚未发现在宇宙早期具有如此大尺度和高密度的原初星系团。


它的发现给宇宙结构形成理论带来了哪些启发和挑战?

更重要的是,SXDS_gPC的尺度之大和星系密度之高,远超经典球状引力塌缩理论认为塌缩满足的条件,同时,计算机数值模拟结果也表明SXDS_gPC的结构将不可避免地塌缩成一个巨型星系团。

他的团队利用两种方法估计出,这个原初星系团SXDS_gPC将塌缩成一个质量约为3600万亿倍 太阳质量的星系团。该质量与现已知的、低红移处的最大星系团或者原初星系团质量相当,但远大于所有已知的高红移原初星系团质量。

“现在的标准宇宙模型预言,宇宙中的结构是滚雪球似的,小的结构通过合并形成更大的结构,也就是说,最大的结构往往形成于宇宙演化的后期。而我们发现的这个巨型原初星系团已经在127亿年前就存在,这表明宇宙很早就有这么大的结构。这边提出了一个新的难题,而此类天体将为研究早期宇宙中的结构形成提供一个有力的工具。


2018年10月15日,该工作以“A giant protocluster of galaxies at redshift 5.7”为题在线发表在《自然-天文》(Nature Astronomy,2018,DOI: 10.1038/s41550-018-0587-9)。北京大学江林华为文章的第一作者兼通讯作者。该研究由科技部重点研发项目和自然科学基金委等项目资助。

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图2:原初星系团SXDS_gPC的所在天区示意图。青色区域表示SXDS_gPC,其星系密度为平均密度的6.6倍,将塌缩成一个质量约为3600万亿倍太阳质量的星系团。

 

**后记:算起来,江林华师兄是笔者的师兄,在笔者访问亚利桑那天文台时,他已博士毕业,但在组会上还时常耳闻其名。他的观测和理论功底都很扎实,而且很善于指导下面的学弟学妹。记得在和他短暂的面对面交流中,他就询问我的工作进展、对工作的设想,并就此提出他的建议。

近日,看到他的工作新进展,替他点赞之余,也忍不住在这里分享下他的这一工作。

听他的介绍,该工作的发表也是经历了一部分波折。在投稿至Nature-Astronomy后,因为其结果表明在宇宙早期就已存在这么大尺度的结构,这有点出乎我们之前的科学猜想,以至于审稿专家看了之后都觉得担忧。于是杂志就请了3位审稿专家来审稿。审稿专家对提供的数据和进行的分析都印象深刻,但对结论的力度提出了一定的担忧。在审稿专家的指导下,江林华课题组进行了修改完善,才终于说服审稿专家。

笔者也了解到,他的团组正在做一些非常有意思,让他着迷得睡不着的课题。让我们拭目以待。


Nature网站的研究亮点(research highlights)板块会从Nature期刊及其子刊中挑选文章,撰文重点介绍。前天点击进入Nature网站,笔者发现,该工作是10月15日研究亮点板块唯一选用和介绍的内容,也足见该研究进展的interesting之处。

请见链接:https://www.nature.com/nature/articles?searchType=journalSearch&sort=PubDate&type=research-highlight&page=1



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