宇宙浩瀚無窮，它在138.2億年前誕生，在大爆炸中碰撞出元素的火花，在漫長的時光中沉淀出星空的璀璨。
宇宙中的星球有尺寸之分，星系有年齡之別，而其中的元素也有輕重之差。科學(xué)研究表明，宇宙誕生之初，只存在氫、氦、鋰等輕元素，如今的宇宙中卻普遍存在著碳、氮、氧等重元素。這些重元素是從哪里來的？
近日，清華大學(xué)天文系教授蔡崢課題組通過觀測發(fā)現(xiàn)，早期宇宙星際間重元素的起源，與大質(zhì)量星系有著密不可分的關(guān)系。該研究成果已于近日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·天文》，為宇宙星際空間重元素起源之謎提供了新的見解。
宇宙中的絕大部分物質(zhì)并不集中在星系里，而在星系之間。這部分彌散在星系間廣袤空間里的物質(zhì)，被稱為星系際介質(zhì)。天文學(xué)家利用類星體光譜發(fā)現(xiàn)，在大爆炸僅9億年后，星系際介質(zhì)中就已經(jīng)存在重元素了。
對這一現(xiàn)象，蔡崢給出了一個生動的比喻：“這就好比我們在一望無際的太平洋里航行時，突然發(fā)現(xiàn)水中有大量的水銀一樣。我們一定會覺得很奇怪，這些汞是哪里來的，是不是附近有船泄露了汞？”
為什么會莫名其妙地出現(xiàn)了重元素，它們又是如何進(jìn)入星系際介質(zhì)的？蔡崢表示，這些至今仍是觀測宇宙學(xué)的關(guān)鍵問題。
2021年4月，國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》聯(lián)合上海交通大學(xué)發(fā)布了增刊《125個科學(xué)問題——探索與發(fā)現(xiàn)》，“宇宙中重元素的起源問題”就位列其中。
一種假說認(rèn)為，早期星系際介質(zhì)中的重元素，主要是被小質(zhì)量星系的恒星星風(fēng)，或活動星系核反饋拋射到宇宙中的；微小星系的活動，似乎也是星系際介質(zhì)重元素起源的原因。為了證明這一猜想，天文學(xué)家進(jìn)行了大量的光學(xué)觀測。
然而，小質(zhì)量星系亮度低，觀測受星際塵埃影響大，大多數(shù)光學(xué)波段的搜尋和探索都無功而返。
蔡崢團(tuán)隊(duì)利用ALMA陣列（阿塔卡瑪大型毫米波天線陣列）射電望遠(yuǎn)鏡開展了全波段探測。
他告訴中青報·中青網(wǎng)記者：“ALMA陣列位于智利北部的高原地區(qū)，當(dāng)?shù)貧夂蚋稍铮且粋€100多年都沒有下過一滴雨的地方。再加上海拔5000米，空氣稀薄，這里的天空特別干凈，能夠把地球大氣對觀測的影響降到最小。這樣，我們就能夠看到更遠(yuǎn)的地方。”
團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，宇宙紅移6.04處的類星體J2054-0005所發(fā)射的光束，在途經(jīng)距離地球125億光年外的某區(qū)域時，出現(xiàn)了比較明顯的氧吸收現(xiàn)象。
蔡崢說，“如果現(xiàn)有的理論是正確的——重元素是由微小星系活動產(chǎn)生的，我們就不應(yīng)該看到氧吸收體周圍的星系。因?yàn)樾≠|(zhì)量星系亮度很低，距離如此遙遠(yuǎn)，可能怎么曝光都無法探測到。這就好比在北京點(diǎn)一支蠟燭，卻在天津拿望遠(yuǎn)鏡觀察一樣，我們是很難觀察到微小星系的信息的。”
他認(rèn)為：“與傳統(tǒng)理論預(yù)言的小星系完全不符，我們觀測到了一個非常明亮的大質(zhì)量星系，在向宇宙中拋出大量氧等重元素！”
在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理后，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)一個巨大星系，它位于這些宇宙早期星系際介質(zhì)中的氧元素附近，星系與氧吸收體的距離約6萬光年，這個距離尺度意味著，氧吸收體位于該巨大星系的暗物質(zhì)暈邊緣。
蔡崢和學(xué)生吳昀荊將該星系與理論上的數(shù)值模擬進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)該候選星系的質(zhì)量要比理論預(yù)言的重1-2個數(shù)量級，該星系與其吸收體的距離，也超出理論預(yù)測的1個量級。
“這清晰地證明，宇宙早期星系際介質(zhì)中的重元素，也許并不全部起源于小星系的活動，來自巨大星系的貢獻(xiàn)，很可能比先前科學(xué)界所認(rèn)為的重要得多。”蔡崢說。
團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，巨大星系通過反饋?zhàn)饔茫軌驅(qū)⒅卦亍皰仭钡椒浅＿h(yuǎn)的距離。星系際介質(zhì)中的重元素，距離候選的大質(zhì)量星系有10萬光年的距離。而宇宙早期巨大的星系直徑，也不過是2萬光年左右。
“通過這樣的比較，我們可以感受到大質(zhì)量星系所具有的巨大‘力量’，以及它對于宇宙早期重元素形成的重要作用。”蔡崢說。
中青報·中青網(wǎng)記者 葉雨婷 實(shí)習(xí)生 孫少卿 來源：中國青年報
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