大爆炸后14億年發(fā)現(xiàn)的不可思議的高熱天體

在微弱殘留的光芒上投下的“陰影”，大爆炸揭示了早期宇宙中一個巨大的天體，它挑戰(zhàn)了我們對宇宙進化的預(yù)測。

這是一個名為SPT2349-56的星系團。它在大爆炸僅14億年后被發(fā)現(xiàn)，其中的氣體溫度遠遠高于應(yīng)有的溫度。星系團的引力加熱本應(yīng)是一個緩慢過程，需要數(shù)十億年才能達到SPT2349-56的溫度區(qū)間。

“我們沒想到宇宙歷史這么早就會出現(xiàn)如此熾熱的星團大氣，”天體物理學(xué)博士生大志說周加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的。

“事實上，起初我對信號持懷疑態(tài)度，因為它太強，不像真實的。但經(jīng)過數(shù)月的核查，我們確認(rèn)這種氣體的溫度至少是預(yù)測的五倍，甚至比我們目前許多集群中發(fā)現(xiàn)的氣體更熱、更有能量。”

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SPT2349-56首次于2010年在南極的南極望遠鏡觀測中被發(fā)現(xiàn)，早期跡象表明它不尋常。后續(xù)觀察，2018年出版確認(rèn)該天體是由30多個星系組成的星系團，它們以比銀河系快1000倍的速度瘋狂形成恒星，并且正朝著碰撞軌道飛馳。

由于這場極端戲劇發(fā)生在大約124億年前的早期宇宙中，天文學(xué)家認(rèn)為它很可能會在宇宙歷史的關(guān)鍵時刻為星系演化提供一些線索。

在周周的帶領(lǐng)下，一個國際團隊使用超靈敏的阿塔卡馬大毫米/亞毫米陣列（ALMA）探測宇宙微波背景（CMB）——自宇宙冷卻至一定溫度以來，宇宙中仍彌漫著微弱且均勻的光芒這讓光線自由流動.

他們想找到一種被稱為蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇信號，這是由于星系團中熱氣體中的電子與CMB的光子相互作用所致。由于CMB非常平滑，這些“陰影”會產(chǎn)生可以被檢測和測量的對比度。

星系團是一個空間口袋，其中重力增強當(dāng)星系彼此拉得更近。這種引力作用于星系內(nèi)部的氣體——星系團內(nèi)介質(zhì)——擠壓和加速，這兩者都會增加它的能量。

SPT2349-56是早期宇宙星系團的一個極端例子，無論是大小還是恒星形成，且以往測量顯示出兩者之間存在大量分子氣體。周和他的同事們仔細觀察了這種氣體，以確定它能告訴我們關(guān)于星系團內(nèi)部動力學(xué)的什么信息。

“理解星系團是理解宇宙中最大星系的關(guān)鍵，”天體物理學(xué)家斯科特·查普曼說達爾豪斯大學(xué)的成員，該校前身為加拿大國家研究委員會。

“這些大質(zhì)量星系大多存在于星系團中，其演化深受星系團形成時極強環(huán)境的影響，包括星系團內(nèi)介質(zhì)。”

ALMA Sunyaev-Zeldovich的信號不僅清晰，更是強大。分析顯示高溫電子具有明確的熱特征，溫度超過1000萬開爾文。雖然研究人員希望能及早探測到溫暖的星團內(nèi)介質(zhì)，但這遠超預(yù)期。

根據(jù)現(xiàn)有模型，單靠重力不可能產(chǎn)生這種溫度。研究人員懷疑，至少有三個超大質(zhì)量星球發(fā)出的強大噴流黑洞SPT2349-56可能注入了額外的能量。

“這告訴我們早期宇宙中，可能有三個最近發(fā)現(xiàn)的超大質(zhì)量黑洞在星團中，已經(jīng)向周圍環(huán)境注入大量能量，塑造了年輕的星團，比我們預(yù)想的更早、更強大。”查普曼解釋道.

這反過來表明，我們對星系團演化的理論理解遠未完成——即使在早期宇宙時期，也必須考慮整個星系團生態(tài)系統(tǒng)，因為我們可能不預(yù)期某些動態(tài)會起作用。

“我們想弄清楚強烈的恒星形成、活躍的黑洞和過熱大氣的相互作用，以及這告訴我們當(dāng)前星系團是如何形成的，”周周說.

該研究已發(fā)表于自然.

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