核心要點:
斯蒂芬五重星系中的四個星系紅移大致一樣，而另一個星系的紅移要比其它四個小很多。在天空的二維空間里，這五個星系是在一起的。但在三維空間里，其實只有四個星系在一起，另一個其實和它們相距很遠，是一個前景星系。
在斯蒂芬五重星系裡，有一個尺寸約為十幾萬光年的激波，相當於兩個銀河系那麼大，是迄今已探明的星系之間存在的最大激波。
「中國天眼」FAST是現今口徑最大、靈敏度最高的單口徑射電望遠鏡，藉助其對氫原子氣體的觀測，可以進一步研究天體的形成和發展歷史。
徐聰團隊此次關於迄今最大尺度且為低密度的氫原子氣體結構的發現，或將對以往傳統關於星系的認識產生重大甚至是顛覆性的影響。
近日，由中國科學院國家天文台研究員徐聰領導的國際團隊，利用「中國天眼」FAST對緻密星系群斯蒂芬五重星系及周圍天區的氫原子氣體進行成像觀測，發現了1個尺度約為2百萬光年的巨大且稀薄的原子氣體結構，這是迄今為止在宇宙中探測到的最大的原子氣體結構。
斯蒂芬五重星系有何特點？它為何備受天文研究關注？「中國天眼」FAST在天文觀測中強在哪裡？我們為什麼需要研究氫原子氣體？此次發現又會帶來哪些影響？北京新聞廣播主持人段玉龍與徐聰為您解答！
特殊的低紅移：斯蒂芬五重星系
曾引發天文界的巨大爭論
段玉龍：斯蒂芬五重星系究竟有什麼特點？我們為什麼要研究它呢？
徐聰：史蒂芬五重星系是在星系群里最早被發現的。它在1877年，被法國天文學家愛德華·史蒂芬發現。
我們現在知道這五個星雲其實是五個星系，其中有四個星系的哈勃退行速度是大致一樣的。而另一個星系的哈勃退行速度與其他四個星系相比相差大約十倍。
在天文學上，有一個術語將這種哈勃退行速度定義為紅移。這和多普勒效應有點像，當一個物體離我們而去的時候，從它上面發出的光的波長就會向紅端移動，所以叫紅移。
十倍的紅移差別，說明這一個星系和其它四個星系其實不在一個紅移上。而按照大爆炸理論，紅移和距離成正比，這也說明這個星系和其它四個星系不在一個距離上。
所以，在天空的二維空間里，這五個星系是在一起的。但在三維空間里，其實只有四個星系在一起，另一個其實和它們相距很遠，是一個前景星系，它離地球的距離要比其他四個星系小很多。
哈勃太空望遠鏡拍攝的斯蒂芬五重星系（圖源：NASA, ESA, CSA, STScI ）
這個事情現在已成定論，可這樣的說法在上世紀60年代卻被嚴重挑戰過。挑戰方在當時都是一些非常有名的天文界大佬。他們的一個共同點就是不相信大爆炸理論，而是相信永恆宇宙、均勻宇宙這類理論。
例如，曾擔任英國皇家天文學會會長的弗雷德·霍伊爾、英國著名天文學家傑弗瑞·羅納德·伯比奇等人。霍伊爾在1983年差一點獲得諾貝爾物理學獎。當時的領軍人物叫「奇譜」阿爾普，是非常有名的「阿爾普特殊星系表」的作者。
而在60年代，正好類星體剛剛被發現。這些類星體都有非常大的紅移，而且看起來很亮。所以，如果按照大爆炸理論，它們的大紅移說明它們離我們距離很遠。它們的亮度說明它們的光度非常強。
段玉龍：這麼亮的光度，它的能源是什麼？它的能量是從哪兒來的？
徐聰：現在我們知道，類星體的能量是中心黑洞對物質的吸積放出大量引力能造成的。
可是在當時，這個理論還沒有被普遍接受。阿爾普有自己的理論，即類星體的紅移與距離沒有關係，他不承認大爆炸理論。他認為類星體就是一團從星系核中間噴出來的特殊物質，大紅移本身是它的一個特殊性質，這個紅移會隨著這團物質的年齡增長而變得越來越小。
阿爾普對斯蒂芬五重星系裡的低紅移星系的解釋是什麼呢？他說，這個星系是從另一個星系的星系核中噴出來特殊物質，現在已經很老了，所以它的紅移就相當小。
正因為這個所謂的「非宇宙紅移」假說，使得斯蒂芬五重星系在60年代左右對正反兩邊學派的天文學家都非常有吸引力，受到大家的廣泛關注。
迄今已探明的最大激波：斯蒂芬五重星系
吸引天文界關注的「魅力」所在
徐聰：在上世紀80年代，斯蒂芬五重星系又一下「紅」了起來。因為一個荷蘭天文學家榮·阿倫發現，在斯蒂芬五重星系裡有一個非常大的激波。這個激波的尺寸大概是十幾萬光年，相當於兩個銀河系的尺寸那麼大。到現在為止，這個激波仍然是星系之間已探明的存在的最大的激波。這樣的一種激波，在近鄰宇宙是非常非常少見的，在早期宇宙應該是比較多見的。
韋布太空望遠鏡拍攝的斯蒂芬五重星系（圖源：NASA, ESA, CSA, STScI ）
激波本身可以告訴我們很多事情。比如氣體的性質、氣體從什麼地方來、氣體將來有沒有可能產生恆星……如果這樣的激波在早期宇宙的時候經常出現，那麼，我們就想了解一下它對這個星系演化形成會有什麼樣的影響。
在別處看不到這樣的激波，斯蒂芬五重星系提供了一個非常好的實驗室來研究這些激波。因此，斯蒂芬五重星系從那以後又非常受關注。
大口徑與高靈敏度：
「中國天眼」FAST在觀測中的「功勞」
段玉龍：正是因為激波這個現象出現時所放出來的相關信號可以在FAST望遠鏡當中觀測到，所以我們使用FAST望遠鏡來觀測斯蒂芬五重星系嗎？
徐聰：還不是。說到射電波段，其實有兩種電波是我們要研究的。一種就是所謂的連續譜的電波，可以直接探測到激波的是連續譜的電波。
連續譜的電波經常是由同步加速輻射造成的。要有同步加速輻射就必須要有相對論電子，激波會產生這樣的相對論電子；然後還要有電磁場，相對論高能電子在磁場里運轉就會產生同步加速輻射。
還有一種光波，在射電波段不是連續發射的，而是一條一條波段非常窄的射線。
氫原子在射電波段里有一條非常亮的射線，是21厘米射線。這條21厘米射線對於氫原子來說，是最亮的。它也是我們研究原子氣體最重要的手段，也就是在射電波段觀測這條21厘米的氫原子射線輻射。
而FAST正好在這個波段非常靈敏。
國家天文台FAST觀測基地（圖源：中國科學院國家天文台官網）
另外，FAST現在裝了一個叫作19波束的接收機。所謂19波束，就是有19個探測器在一個接收機上，它能同時指向天空中19個不同的點。所以，用19波速探測器來對氫原子射線輻射做成像觀測是非常有效率的。
正因為它既靈敏又高效，我們這次觀測只花22小時就做到了對一個直徑大概30角分的天區的深覆蓋。
30角分是什麼概念呢？差不多是一個滿月那麼大的一塊天區。而這樣的一個實驗，如果用以前的設備來觀測的話，一般都要好幾個月才能完成。
從激波到天體形成演化：
氫原子氣體觀測研究的必要與重要
段玉龍：我們為什麼要觀測那個地方的氫原子氣體？通過觀測得出了什麼結論？
徐聰：首先說說，我們為什麼要觀測氫原子氣體。因為剛才說到，我們想研究激波，可是要研究激波就必須要知道激波是怎麼形成的以及它形成時的初始條件。
這些初始條件和當時的情況，與斯蒂芬五重星系的形成和發展歷史都有關係。
國家天文台FAST觀測基地（圖源：中國科學院國家天文台官網）
為什麼氫原子的分布和運動能夠提供這樣的信息？因為氫原子在星系裡面和在星系外面都是比較鬆散的。氫原子比較稀薄，不像其它的東西，比如恆星就很重，要讓它運動起來不是那麼容易。當兩個星系相互作用的時候，最先受到擾動的就是這些氫原子氣體。
如果我們現在探測斯蒂芬五重星系周圍的這些稀薄的氫原子氣體，我們就能得到這個星系群形成早期的相互作用的歷史。因為這些歷史在這些結構、運動、分布和速度場里都可以體現出來。
那麼我們就想，如果我們把這些數據拿到後再把它輸入到我們的模擬計算的模型里，我們的模擬計算就會更精確。我們當時就是這樣的想法，就把觀測報告提交上去了，也得到了觀測時間。
顛覆傳統的觀測結果：
大尺度低密度的氣體結構存在於星系周圍
段玉龍：此次觀測最後得出來的結果是怎樣的？
徐聰：這次我們在《自然》雜誌上發表的成果，我們發現了一個大約兩百萬光年的氫原子結構正在遠離斯蒂芬五重星系中心的地方，而且這個結構的氣體非常稀薄。目前來看，這個結構是我們天文界發現的星系周圍最大的一個氫原子結構。按照現在的理論來看，這樣大尺度且低密度的氫原子氣體結構是不應該存在的。
（圖源：中國科學院國家天文台官網）
不斷吸收氫原子氣體：
宇宙中星系的演變過程
段玉龍：能不能跟大家簡單介紹一下宇宙中星系的演變過程？
徐聰：其實，星系的演化過程就是一個不斷從宇宙空間中吸收氫原子氣體，然後再把它們變成恆星的過程。
從恆星形成的歷史來看，恆星是從非常緻密的分子氣體里產生。這些分子氣體又得從比較稀薄的氫原子氣體里來。由於氫原子氣體冷卻以後，或者是不穩定性地坍縮以後，會成為非常緻密的分子氣體核，這些氣體核會產生恆星。
我們所討論的宇宙間的天體，星系、恆星等都是最基本的東西，它們都和氫原子氣體直接相關。可以說，氫原子氣體是這些天體形成的基礎和源泉。
中紅外儀器展示下的斯蒂芬五重星系（圖源：NASA, ESA, CSA, STScI ）
段玉龍：那是不是說明我們去研究這些氫原子氣體，對於我們更好地了解宇宙的演化、天體形成的細節等一些基本規律非常有幫助？
徐聰：可以這樣說。其實，在現代宇宙學尤其是星系演化理論中非常重要的一環，就是研究氫原子氣體。但它不是特別容易研究，到現在為止，射電波段的相關設備還在完善當中。
專家信息
1 段玉龍 中國科普作家協會理事、北京科普宣傳大使
2 徐聰 中國科學院國家天文台研究員
內容來源：本文由北京新聞廣播《照亮新聞深處》與騰訊新聞《一起來嘮科》共同出品
責編：陳佳麗（實習）
監製：劉螢螢
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