大爆炸后14億年發現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，它挑戰了我們對宇宙進化的預測。

這是一個名為SPT2349-56的星系團。它在大爆炸僅14億年后被發現，其中的氣體溫度遠遠高于應有的溫度。星系團的引力加熱本應是一個緩慢過程，需要數十億年才能達到SPT2349-56的溫度區間。

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

“事實上，起初我對信號持懷疑態度，因為它太強，不像真實的。但經過數月的核查，我們確認這種氣體的溫度至少是預測的五倍，甚至比我們目前許多集群中發現的氣體更熱、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現，早期跡象表明它不尋常。后續觀察，2018年出版確認該天體是由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生在大約124億年前的早期宇宙中，天文學家認為它很可能會在宇宙歷史的關鍵時刻為星系演化提供一些線索。

在周周的帶領下，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，其中重力增強當星系彼此拉得更近。這種引力作用于星系內部的氣體——星系團內介質——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于星系團內部動力學的什么信息。

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

“這些大質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境的影響，包括星系團內介質。”

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介質，但這遠超預期。

根據現有模型，單靠重力不可能產生這種溫度。研究人員懷疑，至少有三個超大質量星球發出的強大噴流黑洞SPT2349-56可能注入了額外的能量。

“這告訴我們早期宇宙中，可能有三個最近發現的超大質量黑洞在星團中，已經向周圍環境注入大量能量，塑造了年輕的星團，比我們預想的更早、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系統，因為我們可能不預期某些動態會起作用。

“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，以及這告訴我們當前星系團是如何形成的，”周周說.

該研究已發表于自然.

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