數十年搜尋后天文學家終找到宇宙失蹤氫

宇宙失蹤氫之謎

天文學家十年攻堅，首次大規模“點亮”早期宇宙的隱形氫氣暈

關鍵突破速覽

• ? 已知萊曼α星云數量暴增：3000 → 33000+（+1000%）
• ? 覆蓋宇宙年齡僅10–120億年（紅移 z ≈ 2–3）的“宇宙正午”黃金期
• ? 首次系統揭示中等尺度氫暈——填補觀測空白的“缺失一環”
• ? 暈結構跨度達數萬至數十萬光年，形態如“太空變形蟲”

氫是宇宙中含量最豐富的元素，在宇宙系統的結構和演化中起著基礎性作用。它主要形成于大爆炸時期，以從中性原子氣體到電離等離子體等多種狀態存在于整個宇宙空間。圖片來源：Shutterstock

為什么氫“失蹤”了？

氫氣本身不發光——它像宇宙中的“透明幽靈”。只有當被鄰近星系強烈的紫外線照射時，才會發出特定波長的萊曼α輝光（121.6納米）。這種信號極其微弱，需超大口徑望遠鏡+超長時間曝光才能捕獲。

一項針對早期宇宙的大規模新調查極大地擴充了已知的年輕星系周圍氫氣暈的數量，揭示出這些結構比之前認為的要普遍和多樣得多。

HETDEX：暗能量實驗意外解鎖氫宇宙

霍比埃伯利望遠鏡暗能量實驗（HETDEX）本為繪制百萬星系圖譜研究暗能量，卻因超高通量光譜能力（單次觀測生成10萬條光譜）與超廣域巡天覆蓋（>2000滿月天區），成為探測彌散氫暈的“神級副產品”。

天文學家通過分析霍比埃伯利望遠鏡暗能量實驗（HETDEX）的數據，發現了數萬個巨大的氫氣暈——被稱為萊曼α星云——它們圍繞著100億到120億年前存在的星系。

宇宙正午：恒星誕生的巔峰時刻

這個被稱為宇宙正午的時期，標志著星系以峰值速率形成恒星的階段。維持這種增長需要大量氫氣供應，而氫氣是恒星形成的主要成分。然而，直到最近，人們只探測到少數這樣的暈。

《天體物理學雜志》發表的一項研究現已將已知的這類暈的數量增加了十倍，從約3000個增至33000多個。這一發現表明，此類結構很常見而非罕見。它還擴大了觀測到的尺寸范圍，為研究人員提供了更完整的數據集，以研究早期星系是如何形成和演化的。

科學家說

艾琳·門圖奇·庫珀（HETDEX數據經理、該研究主要作者）：

“過去20年左右的時間里，我們一直在分析為數不多的同一批天體。HETDEX讓我們能找到更多這樣的暈，并測量它們的形狀和大小。它確實讓我們得以創建一個令人驚嘆的統計目錄。”

填充缺失的結構

早期的調查檢測到了其中一些暈，但只有最亮和最極端的例子。同時，對早期星系的詳細觀測往往聚焦得過于緊密，以至于錯過了最小周邊區域之外的任何東西。因此，中等大小的暈在很大程度上被忽視了。

HETDEX目前正幫助填補這一空白。該項目利用麥克唐納天文臺的霍比埃伯利望遠鏡，繪制超過一百萬星系的圖譜，以更好地理解暗能量。我們已捕獲近半PB的數據，不僅涵蓋這些星系，還包括它們之間的區域，HETDEX首席研究員、得克薩斯大學奧斯汀分校天文學系主任、該論文合著者卡爾·格布哈特表示。我們的觀測覆蓋了天空中超過2000個滿月大小的區域，范圍巨大且前所未有。

在HobbyEberly望遠鏡暗能量實驗（HETDEX）的數據中發現的一個巨大氫氣暈，疊加在詹姆斯韋伯太空望遠鏡（JWST）深度成像中看到的其位置上。該系統存在于113億年前，它的光芒來自其內部眾多星系的組合光，最亮區域用紅色表示。利用HETDEX的數據，天文學家將已知的這類光暈數量增加了十倍以上——從大約3000個增加到33000多個。圖片來源：NASA、ESA、CSA、STScI。

霍比埃伯利望遠鏡是世界上最大的望遠鏡之一，德克薩斯大學奧斯汀分校的博士后研究員、HETDEX科學家兼該研究的合著者達斯汀·戴維斯補充道。而且HETDEX使用的儀器每次觀測能產生10萬條光譜。因此，我們擁有海量數據，還有各種各樣有趣、新奇、怪異的事物等著我們去發現。

這些新發現的光暈直徑從數萬到數十萬光年不等。有些呈現為圍繞單個星系的簡單橄欖球形云團，而另一些則是包含多個星系的大型不規則結構。那些是有趣的案例，MentuchCooper說。它們看起來像帶有觸手延伸至太空的巨型變形蟲。

如何定位33000+個氫暈？

• 從HETDEX已識別出的160多萬個早期星系中篩選出70000個最明亮樣本
• 利用得克薩斯高級計算中心超級計算機，逐個分析氫暈特征信號
• 特征識別：致密氫中心 + 彌散外層云團（萊曼α發射輪廓）
• 結果：近一半星系具此結構；實際比例或更高（暗星系未完全顯現）

該團隊期望這個擴充后的目錄能支持對早期宇宙的進一步研究，包括宇宙結構如何形成、物質如何分布以及星系如何運動和相互作用。目前已識別出超過33000個暈，研究人員可以將重點從尋找這些天體轉向對它們進行詳細研究。

戴維斯解釋道：關于這個時期的星系，有多種模型大體上是有效的，也似乎合理，但仍存在一些漏洞和不足。現在我們可以聚焦于單個暈，更詳細地了解正在發生的物理過程和機制。然后我們可以修正或摒棄這些模型，再嘗試新的。

參考文獻

《跨越宇宙正午的Lyα暈與blob之間最大規模的統計普查》，作者：艾琳門圖奇庫珀、卡爾格布哈特、達斯汀戴維斯、羅賓恰杜洛、克里斯拜羅爾、劉辰旭、瑪雅H德布斯基、奧斯卡A查韋斯奧爾蒂斯、馬克西米利安法布里修斯、丹尼爾J法羅、史蒂文L芬克爾斯坦、卡里爾格倫沃爾、加里J希爾、瑪雅盧揚尼邁耶、布里安娜麥凱、白川真朗、大內正美、胡布勒特格靈、唐納德P施耐德、薩拉塔特爾、盧茨維索茨基、格雷戈里蔡曼、翟賽，《天體物理學雜志》近期，DOI 10.3847/1538-4357/ae44f3

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宇宙是時間、空間及其中所有物質與能量的總和，包含星系、恒星、行星、暗物質等。主流理論認為它起源于約138億年前的大爆炸，隨后不斷膨脹。人類通過望遠鏡、探測器等工具探索其奧秘，它的浩瀚與未知始終激發著我們對世界本質的好奇與探索欲。

BY: University of Texas at Austin

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參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3.原文來自： https://scitechdaily.com/after-decades-of-searching-astronomers-finally-track-down-the-universes-missing-hydrogen/

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