宇宙是怎么变“重”的？

中青报·中青网记者 叶雨婷 实习生 孙少卿 来源：中国青年报 （ 2021年10月26日 12 版）

宇宙浩瀚无穷，它在138.2亿年前诞生，在大爆炸中碰撞出元素的火花，在漫长的时光中沉淀出星空的璀璨。

宇宙中的星球有尺寸之分，星系有年龄之别，而其中的元素也有轻重之差。科学研究表明，宇宙诞生之初，只存在氢、氦、锂等轻元素，如今的宇宙中却普遍存在着碳、氮、氧等重元素。这些重元素是从哪里来的？

近日，清华大学天文系教授蔡峥课题组通过观测发现，早期宇宙星际间重元素的起源，与大质量星系有着密不可分的关系。该研究成果已于近日发表在国际学术期刊《自然·天文》，为宇宙星际空间重元素起源之谜提供了新的见解。

宇宙中的绝大部分物质并不集中在星系里，而在星系之间。这部分弥散在星系间广袤空间里的物质，被称为星系际介质。天文学家利用类星体光谱发现，在大爆炸仅9亿年后，星系际介质中就已经存在重元素了。

对这一现象，蔡峥给出了一个生动的比喻：“这就好比我们在一望无际的太平洋里航行时，突然发现水中有大量的水银一样。我们一定会觉得很奇怪，这些汞是哪里来的，是不是附近有船泄露了汞？”

为什么会莫名其妙地出现了重元素，它们又是如何进入星系际介质的？蔡峥表示，这些至今仍是观测宇宙学的关键问题。

2021年4月，国际学术期刊《科学》联合上海交通大学发布了增刊《125个科学问题——探索与发现》，“宇宙中重元素的起源问题”就位列其中。

一种假说认为，早期星系际介质中的重元素，主要是被小质量星系的恒星星风，或活动星系核反馈抛射到宇宙中的；微小星系的活动，似乎也是星系际介质重元素起源的原因。为了证明这一猜想，天文学家进行了大量的光学观测。

然而，小质量星系亮度低，观测受星际尘埃影响大，大多数光学波段的搜寻和探索都无功而返。

蔡峥团队利用ALMA阵列（阿塔卡玛大型毫米波天线阵列）射电望远镜开展了全波段探测。

他告诉中青报·中青网记者：“ALMA阵列位于智利北部的高原地区，当地气候干燥，是一个100多年都没有下过一滴雨的地方。再加上海拔5000米，空气稀薄，这里的天空特别干净，能够把地球大气对观测的影响降到最小。这样，我们就能够看到更远的地方。”

团队发现，宇宙红移6.04处的类星体J2054-0005所发射的光束，在途经距离地球125亿光年外的某区域时，出现了比较明显的氧吸收现象。

蔡峥说，“如果现有的理论是正确的——重元素是由微小星系活动产生的，我们就不应该看到氧吸收体周围的星系。因为小质量星系亮度很低，距离如此遥远，可能怎么曝光都无法探测到。这就好比在北京点一支蜡烛，却在天津拿望远镜观察一样，我们是很难观察到微小星系的信息的。”

他认为：“与传统理论预言的小星系完全不符，我们观测到了一个非常明亮的大质量星系，在向宇宙中抛出大量氧等重元素！”

在进行数据分析和处理后，团队发现一个巨大星系，它位于这些宇宙早期星系际介质中的氧元素附近，星系与氧吸收体的距离约6万光年，这个距离尺度意味着，氧吸收体位于该巨大星系的暗物质晕边缘。

蔡峥和学生吴昀荆将该星系与理论上的数值模拟进行对比，发现该候选星系的质量要比理论预言的重1-2个数量级，该星系与其吸收体的距离，也超出理论预测的1个量级。

“这清晰地证明，宇宙早期星系际介质中的重元素，也许并不全部起源于小星系的活动，来自巨大星系的贡献，很可能比先前科学界所认为的重要得多。”蔡峥说。

团队还发现，巨大星系通过反馈作用，能够将重元素“抛”到非常远的距离。星系际介质中的重元素，距离候选的大质量星系有10万光年的距离。而宇宙早期巨大的星系直径，也不过是2万光年左右。

“通过这样的比较，我们可以感受到大质量星系所具有的巨大‘力量’，以及它对于宇宙早期重元素形成的重要作用。”蔡峥说。

2021年10月26日 12 版