早期宇宙的秘密隐藏在这个寒冷的星系团中

早期宇宙对星系来说是一个压力很大的地方。数十到数百个邻近星系组成的团块被称为星系团，它们会共享一个热气体池——但这并非毫无戏剧性。总会有另一个任性的星系撞入星系团，与其中一个前者合并，并通常会扰乱气体池，即星系团内介质。

这就是新发现的星系团 SPT2215 如此特别的原因。天文学家最近捕捉到了 SPT2215 在宇宙诞生仅 50 亿年时的样子，该星系团距离地球约 84 亿光年。进一步研究后，他们认为它是宇宙中发现的少数几个“松弛”星系团之一。这可能会让科学家们重新审视他们关于宇宙诞生之初星系形成速度的模型。

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麻省理工学院天体物理学博士生迈克尔·卡尔萨迪拉 (Michael Calzadilla) 表示：“如果星系团正在形成，我们称之为‘受干扰’——它只是有点混乱。”卡尔萨迪拉是 4 月 19 日《天体物理学杂志》上一篇论文的主要作者，该论文在多台望远镜和飞行天文台的帮助下描述了新发现的 SPT2215 星系团。

“如果气体非常圆、非常对称，看起来有点像球，那就说明最近没有发生过任何相互作用，”他说。“它非常‘放松’。”换句话说，没有星系合并扰乱一切，而 SPT2215 似乎就是这种情况。

寻找和研究早期宇宙中的松弛星系团可以为天文学家提供线索，了解 80 亿年前和今天星系和恒星的形成有何不同。然而，SPT2215 的发现与其他星系团不同。它始于一个有趣的微波频率阴影，最终以一个奇怪的恒温器读数结束。

一个由数十名科学家组成的国际团队在 SPTpol 扩展星团调查中寻找遥远星系团的迹象，该调查利用苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应（宇宙微波背景与星系中热公共气体相互作用）来寻找相关的恒星群。

卡萨迪拉指出，宇宙微波背景是宇宙中的第一道光，又称大爆炸的余辉。当低能微波光子在前往地球的途中遇到星系团时，它们会被星系团内的气体或等离子体散射到更高的能量，”他说。这些被放大的光子留下的空隙在宇宙微波背景中呈现为阴影，让我们大致知道星系团的位置。从那时起，天文学家必须进行后续观测才能确定距离，以及星系团是受到干扰还是处于放松状态。在 SPT2215 的研究中，卡尔萨迪拉和他的同事使用了一系列仪器，包括哈勃太空望远镜、红外斯皮策望远镜、钱德拉 X 射线天文台，以及智利的巨型麦哲伦望远镜等地面望远镜。

卡尔萨迪拉说：“如果你观察不同的波长，你就能更全面地了解正在发生的事情。钱德拉观察的是 X 射线波长；斯皮策观察的是红外波长；哈勃观察的是介于两者之间的光学波长。”

他解释说，星系团内的气体通常会随着时间的推移而冷却，首先发射 X 射线，然后冷却发射紫外线，最后发射电磁波长直至红外区域。“我们可以使用这些不同的望远镜以不同的波长捕捉这个过程的每个部分。”

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卡尔萨迪拉表示，通常情况下，星系团中共享的冷却气体会缓慢向内下落，形成并滋养一个倾向于主宰其他星系的中心星系。气体维持了该中心星系的恒星诞生，但也助长了该星系中心超大质量黑洞的形成。在滋养过程中，超大质量黑洞会产生能量爆发，从而推回冷却和膨胀的气体。

卡尔萨迪拉指出：“从星系团的意义上来说，它充当着恒温器的作用，调节温度”，减缓了气体冷却的速度。

但他补充说，SPT2215 的有趣之处在于“看起来恒温器很难跟上正在发生的冷却量。”这让它呈现出比预期更冷的气氛（从大约 179,540 华氏度开始），预计气体的冷却速度将比宇宙中同时期发现的大多数其他星系团快得多。与黑洞阻止气体过快冷却的星系团相比，中心星系还呈现出更多新的年轻恒星。

卡尔扎迪拉认为，SPT2215 如此酷的原因可能有很多，其中包括“也许黑洞刚刚被打开。冷却气体需要一段时间才能到达中心星系并进入黑洞。”

虽然可能需要进一步观察，比如使用詹姆斯·韦伯太空望远镜或哈勃望远镜进行更长时间的跟踪，才能确定，但​​卡尔萨迪拉表示，“[SPT2215] 可能告诉我们，在早期宇宙中，星系的形成年龄比我们想象的要小。”“这对我们了解事情发生时间的时间表提出了挑战。”