宇宙“幼升小”时模样科学家找到127亿年前巨大原初星系团

艺术想象图：127亿光年外的巨型原初星系团

　　在到达地球之前，这束光走了127亿年。漫长的跋涉，加上宇宙的膨胀拉伸，让它的能量微弱而暗淡。

　　同一时间，地球，智利拉斯坎帕纳斯天文台。麦哲伦天文望远镜“卖力”地进行星系光谱巡天。科学家们正借助这台设备，建立一个高红移星系数据库，以期解开宇宙演化形成之谜。

　　偶然的一瞬，这束微弱的光与望远镜光谱仪上的探测器相遇。一个明显而确定的峰值出现在北京大学天文学家江林华面前。

　　江林华及北大科维理研究所团队发现，这束光来自一个巨大原初星系团，它最终会演化成一个约3600万亿倍太阳质量的星系团。10月15日，这一发现在线发表于《自然—天文》。

　　追寻宇宙“幼升小”时的模样

　　江林华的工作有点类似于“宇宙考古”——寻找宇宙中最遥远的星系，探索宇宙“小时候”的模样。

　　和所有生物一样，宇宙也曾是个“宝宝”。一直以来，科学家认为，宇宙是在约137亿年前由一次大爆炸形成的。

　　大爆炸之初，婴儿期的宇宙处于极高温、极高压状态，只有光子、质子、中子等基本粒子。之后，宇宙慢慢冷却，花了几十万年时间形成了原子等基本物质结构。那时候的宇宙一片黑暗，没有太阳，没有星星。

　　如果说今天的宇宙是个百岁老人，那么，宇宙在大概7岁，也就是在“幼升小”的年纪时，出现了一次重大变化——在引力作用下，宇宙大尺度结构开始形成，最原始的恒星、星系、黑洞出现，宇宙被点亮了。

　　江林华感兴趣的问题之一，正是宇宙是怎么完成“幼升小”的，包括“宇宙中第一批天体如何出现”“最原始的宇宙大尺度结构是怎么形成的”“宇宙从黑暗到明亮的过渡是何时完成的”……

　　这些问题尚无确定的答案。之所以如此，是因为观测数据有限，统计口径不一。想解决这些问题，就要依赖高探测能力的天文望远镜，在如今明亮的宇宙中“淘”出更多百亿年前留下的、远超人眼可观察范围的微弱光芒。

　　2014年9月，江林华带着在美国求学时积累的观测经验和合作资源，回到北京大学。第二年，他和北大的科研团队一起，借助科技部重点研发项目和国家自然科学基金委等项目资助，依托位于智利的麦哲伦天文望远镜，开始了组建星系样本库的征途。

　　按照江林华的预期，这个样本库将为研究宇宙“幼升小”的历史提供数据支撑。样本库中的星系不仅都来自于宇宙“幼升小”年代的星系候选体，而且要经过光谱确证，测出距离地球的精确距离。

　　偶遇一束从远古走来的光

　　2017年的一天，麦哲伦天文望远镜的探测器对准了一块不算大（约4平方度，近似于5个满月大小）的天区，然后把“视线”向更深处望去，为的是从目前星系团候选体中筛选出确定者，并确定它们的位置。

　　之后，数据分析人员意外地发现，光谱图在红移5.7的位置上出现了一个不在计划中的峰值。

　　“红移”是天文学家们用来判断光“跋涉”了多远的工具。

　　一般来说，光刚被发射出来时，具有较高的能量，经历了漫长的传递和宇宙空间拉伸后，能量降低。而光谱仪可以分辨出光的能量，并判断光从刚发出至今的时间和距离。红移越高，就说明光源距离地球越远。

　　盯着这个峰值，江林华想看一看这束红移5.7的光是何方神圣。

　　“红移5.7”正好对应着距今127亿年前，那时候的宇宙距离大爆炸的时间大约在10亿年，宇宙处在“幼升小”的年纪。“这么巧！”江林华感叹。

　　之后的研究结果，让他们更为惊叹——这束光来自一个巨大的原初星系团，或者说星系团的巨大前身。

　　通过天体物理学理论分析和计算机数值模拟，科研团队发现，这个巨大的原初星系团最终会“百分之百地”“不可避免地”发展成一个约3600万亿倍太阳质量的星系团。

　　宇宙早期已知的最大质量原初星系团

　　这可能是宇宙早期已知的最大质量的原初星系团，但同时，这也是一个反常。

　　“它就像一座城市，星系密度很高，是同一时期其他区域星系密度的近7倍。”江林华说，目前尚未发现在宇宙早期会有如此大尺度和高密度的结构。

　　按照标准宇宙模型的预言，宇宙中大尺度结构的形成类似于滚雪球，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，如此大的原初星系团在宇宙少年时代不太可能存在。

　　可是，新发现的这个巨型原初星系团却出现在宇宙“幼升小”的年纪。“这表明宇宙很早就有了大尺度的结构。”江林华说。

　　这样的反常，曾经引起过论文评审人的担忧。4月16日，《自然—天文》杂志收到论文后，组织了3位评审人对文章进行评审。

　　3个月后，杂志副主编Marios Karouzos在向江林华反馈审稿意见时说：“3位评审人对您提供的数据和分析印象深刻，但他们也对结论的力度提出了一些担忧。”

　　其中一名评审人说：“这些发现很有趣，但需要更为强有力的分析陈述。”

　　在评审专家的建议下，科研人员对论文研究方法、图表等的陈述修改完善，最终得到评审专家的认可，论文在9月4日被正式接收。

　　江林华表示，他的科研团队还将采用多波段观测手段，进一步研究这个原初星系团的内部结构，同时，他们也期待着望远镜技术和数值模拟技术水平再上一个台阶，以帮助他们通过更大规模的巡天，找到更多与此次类似的原初星系团，完善人类对宇宙结构形成的认知。

　　论文相关信息： DOI：10.1038/s41550-018-0587-9