核心要點：

1

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。在天空的二維空間裡，這五個星系是在一起的。但在三維空間裡，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。

2

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。

3

“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。

4

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臺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？

以下為《一起來嘮科》特約主持人段玉龍與徐聰研究員的問答實錄：

專家資訊：

徐聰：中國科學院國家天文臺研究員

段玉龍：北京廣播電視臺主持人、中國科普作家協會理事

1。 唯一特殊的低紅移：斯蒂芬五重星系曾引發天文界的巨大爭論

斯蒂芬五重星系的其中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，它是一個前景星系，與其它四個星系不在同一個三維空間中。然而，對於該低紅移星系的解釋，曾於上世紀60年代，在天文界引發巨大的爭論。

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裡最早被發現的

。它在1877年，被法國天文學家愛德華·史蒂芬發現。在那個年代，我們人類還不知道在銀河系外有其他的星系，只是知道，天上除了有閃亮的群星之外，還有一些亮的星雲。

現在我們已經知道，很多的這些星雲都是銀河系外的星系，比如大麥哲倫雲、小麥哲倫雲和仙女座大星雲都是離我們很近的星系。

可在當時，斯蒂芬並不知道系外星系的存在。他發現天上有五個擠在一起的星雲，而它們的形狀又有點怪異。他就覺得很有意思，就把這個發現發表在了他們天文臺的一個小雜誌上。

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，在天空的二維空間裡，這五個星系是在一起的。但在三維空間裡，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。

很遠的東西還能這麼亮，說明它們發出的光非常多。問題是，這麼亮的光度，它的能源是什麼？它的能量是從哪兒來的？

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。

當然，六七十年過去了，我們知道

“非宇宙紅移”的假定是不對的。有大量的觀測證明，這個低紅移星系就在離我們銀河系不遠的地方。所以，阿爾普的假定是不對的。

2。 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

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。斯蒂芬五重星系提供了一個非常好的“實驗室”來研究激波。正因此，在上世紀80年代，它又備受天文界關注。

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。

段玉龍：激波究竟是什麼意思呢？

徐聰：比方說，超音速飛機的飛行速度超過聲速的時候，它的飛行運動就會遇到一個所謂的音障。要穿過這個音障的時候，氣體產生的波的運動速度比聲速要快，所以它就沒有機會來“調整”，會有一個越來越強的介面。也就是說，飛機前面的氣體和大氣層裡的氣體會有一個非常陡峭的介面。在這個介面前方是普通氣體，密度很低，而在介面後方的就是激波以後的氣體，密度非常高。

它像一個推土機，把這些氣一下都推起來了，在它前面堆起了很多緻密的氣體。那麼在這個飛機前面，就會有一個激波的介面。

任何一個物體在介質中的運動速度超過這個介質的音速時，在它的前面就會產生那樣一個激波面。

段玉龍：在宇宙當中，這種情況也是同理嗎？

徐聰：同理。在任何氣體中都有一個聲速。我們平常習慣稱之為“聲速”，其實它是用來描述當該氣體受到擾動時，擾動的傳播速度。

當這些擾動的傳播速度比運動物體的速度要慢時，它就沒有足夠的時間把這些擾動傳出去。所以，這些擾動就一下在運動氣體前面堆積起來了，就會產生一個很強的激波。

段玉龍：所以，在地球上我們能見到的情況是，飛機會突破一個音障，在飛機的周邊會有像霧氣一樣的東西一下炸開。可是，

我們學到的天文學常識認為宇宙當中是真空狀態，應該是沒有空氣的，怎麼會出現您剛才說的激波呢？

徐聰：其實，

到了現代天文學，早就已經把宇宙當中是真空狀態的這個事否定了，宇宙當中是充滿了氣體的

。

我們這次看到的，也是一種氣體——原子氣體。除了原子氣體，還有離子氣體、分子氣體等各種各樣密的、稀薄的氣體。在斯蒂芬五重星系裡產生激波的氣體，就是我們今天要說的這種原子氣體。

因為它（斯蒂芬五重星系）裡頭有好幾個星系，每個星系都帶著它自己周圍的原子氣體。那麼，在這之前，這些星系相互作用的時候，就會把一些氣體從它周圍剝離掉，變到星系際空間裡。

這時，有一個後來的星系，它的相對速度非常大，每秒1000公里，它撞到別的星系周圍的氣體時，就會產生一個非常強的激波。

韋布太空望遠鏡拍攝的斯蒂芬五重星系（圖源：NASA， ESA， CSA， STScI ）

這個激波，在射電波段是能看到的，這與輻射的原理有關。一旦有激波，肯定是會看到非常強的射電觀測的。

而且後來，這個激波也在X光波段被看到。因為激波會產生非常熱的氣體，這些熱氣體在X光波段會輻射。那麼，在這兩個波段（射電波段和X光波段）就看到了非常明確的訊號。

最近，JWST（韋布太空望遠鏡）在紅外波段也看到這樣的激波輻射。因為在紅外波段中，有些氣體在受到激波加熱後會發出發射線。

具體來講，就是氫原子氣體會發出紅外波段的發射線。韋伯望遠鏡看到了很強的紅外波段的氫分子氣體發出的發射線，所以這個激波現在已經是被大家都認為是沒有問題的。

可是，

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。

我自己大概從90年代開始研究斯蒂芬五重星系，我的團隊裡頭也有很多人因為覺得激波很有意思，而來選擇從事研究。

3．大口徑與高靈敏度：“中國天眼”FAST在觀測中的“功勞”

“中國天眼”FAST望遠鏡口徑達500米，居現今單口徑射電望遠鏡之首，加之其高靈敏度和高效率，使其在此次觀測中幫助徐聰團隊僅用22小時便完成了對一個直徑差不多為30角分的天區的深度覆蓋。

段玉龍：您剛才講述了非常重要的一點，正是因為激波這個現象出現時所放出來的相關訊號可以在FAST望遠鏡當中觀測到，也就是射電波段的訊號，這也就說明了我們為什麼使用FAST望遠鏡來觀測斯蒂芬五重星系。是這樣嗎？

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裡運轉就會產生同步加速輻射。榮·阿倫發現激波就是在連續譜裡發現的。

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。這些射線是由於原子或者分子能級躍遷造成的。

氫原子在射電波段裡有一條非常亮的射線，是21釐米射線。這條21釐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釐米的氫原子射線輻射

。

而FAST正好在這個波段非常靈敏

。

國家天文臺FAST觀測基地（圖源：中國科學院國家天文臺官網）

我們知道，

FAST有500米的口徑，是現在世界上單口徑望遠鏡裡最大的

。原來還有一個口徑為300米的望遠鏡，叫作阿雷西博望遠鏡，但大概在一兩年前，它壞掉了。

現在和FSAT相比排“第二位”的，還有幾個口徑100米、110米左右的單鏡望遠鏡。FAST的口徑要比它們大五倍、面積要大25倍。

口徑越大，得到的訊號就越多越強。所以，它（FAST）的靈敏度在現在的單口徑望遠鏡裡也是最好的

。

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，如果用以前的裝置來觀測的話，一般都要好幾個月才能完成。

4。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

要研究斯蒂芬五重星系裡的激波，就需要研究斯蒂芬五重星系的早期形成和演化。氫原子氣體因其鬆散稀薄的特性，成為研究天體早期形成和發展的重要材料。如果我們探測斯蒂芬五重星系周圍的稀薄氫原子氣體，我們就能得到這個星系群形成早期的相互作用的歷史。

段玉龍：您剛才也提到了，實際上這次觀測的也是氫原子或者說氫原子氣體。我們為什麼要觀測那個地方的氫原子氣體？透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。

現在我們知道，

激波的形成是由於不同的氣體結構有不同的速度，又因為和不同的星系關聯在一起，當星系之間相互碰撞的時候，這些氣體相互碰撞，造成了這樣大的激波。

可是，

它們什麼時候撞的？撞的時候是什麼樣？從多遠撞上去的？當時氣體的密度、溫度都是多少？

這些對於我們理解這些激波現在的狀況非常有用。

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。這些星系怎麼靠到一起的？我們團隊以前也做過一些關於斯蒂芬五重星系形成史的模擬計算，可是結果都不是特別好。

我們最初的想法，是透過FAST對氫原子氣體的觀測來再進一步限定斯蒂芬五重星系的形成和發展歷史。

國家天文臺FAST觀測基地（圖源：中國科學院國家天文臺官網）

為什麼氫原子的分佈和運動能夠提供這樣的資訊？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、分佈和速度場裡都可以體現出來。

那麼我們就想，如果我們把這些資料拿到後再把它輸入到我們的模擬計算的模型裡，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。

5。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

徐聰團隊發現，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，這個結構也是迄今天文界發現的星系周圍最大的氫原子結構，並且該結構的氣體非常稀薄。這一發現，或將對以往關於星系的認識產生重大甚至是顛覆性的影響。

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，其實是我們這次觀測的一部分結果。因為《自然》雜誌的文章有字數限制，只能報告一件事。所以我們就只報告

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臺官網）

段玉龍：為什麼說這種大尺度低密度的原子氣體結構不應該存在於星系周圍？

徐聰：

因為在這個星系外面有一個宇宙的紫外光背景輻射，它可以電離這些原子

。如果是密度高的氣體，紫外光可能只把外面的一些原子給電離了，中心的原子由於紫外光透不進去還能保留一些中性氫原子。

可是在稀薄的情況下，氫原子氣體對於紫外光來說就是“透明”的，紫外光可以很輕鬆地穿過這些稀薄的氫原子氣體，把它們全都電離了。電離以後，就看不到21釐米射線了，因為它們都變成了離子氣體。

離子氣體很難冷卻，如果不冷卻就不能變得更密，不能更密就不能被吸到星系裡去。離子氣體對星系演化和恆星演化的作用與原子氣體完全不同，離子氣體在天體演化裡的作用遠遠小於原子氣體。

所以

在研究星系形成和演化時，所選研究“材料”通常都是原子氣體

。原子氣體進去以後，才能產生恆星。如果這些原子氣體不存在於星系周圍，我們可能對研究原子氣體就沒有那麼感興趣了。

現在看來，以前關於“星系周圍不應該有比較稀薄的、大尺度的原子氣體”的理論，是不對的，是需要修改的。而且，我們對於星系形成和演化的知識也需要改變。

因為，這些稀薄的原子氣體很有可能在別的星系周圍也是普遍存在的。這就是我們此次觀測發現對天文學中星系形成這一方面，產生的一個比較大的影響。

6。不斷吸收氫原子氣體：宇宙中星系的演變過程

星系的演化就是一個不斷從宇宙空間中吸收氫原子氣體，再將它們變成恆星的過程。氫原子氣體是天體形成的基礎和源泉，對氫原子氣體的觀測也是現代宇宙學星系演化理論研究中非常重要的一環。當國際“平方公里陣列望遠鏡”投入使用以後，將會帶來一場新的革命，尤其是對氫原子氣體觀測發展程序帶來革命性的前進。

段玉龍：

據我瞭解，實際上氫原子氣體的存在，對於宇宙中其他天體的演化有非常重要的作用。而且，包括恆星、行星，甚至地球上的生命開始，都可以追溯到氫原子氣體。能不能跟大家簡單介紹一下這個演變過程？

徐聰：宇宙中很多的天體，它們的形成和演化都離不開氫原子氣體。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裡產生。這些分子氣體又得從比較稀薄的氫原子氣體裡來。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，對於我們更好地瞭解宇宙的演化、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，射電波段的相關裝置還在完善當中。

目前，國內有口徑500米的望遠鏡FAST，國際上有平方公里陣列望遠鏡。所謂“平方公里陣列望遠鏡”，是由大概幾十上百個望遠鏡組成的，它的總面積能達到一平方公里。而且，它是可以活動的，它的天線不固定在一起。

當把這些組成天線陣的望遠鏡的相互距離拉到相對比較遠時，利用相干原理就可以得到解析度非常高的成像。它的總面積非常大，比我們的FAST還要大四倍，而且靈敏度也很高。

所以

當SKA（平方公里陣列望遠鏡）投入使用以後，會帶來一場新的革命，尤其是對氫原子氣體觀測發展程序帶來革命性的進步。

我們的FAST搶在它的前面，對氫原子氣體觀測程序其實已經提升了很大一步。後續還會有很多與我們的觀測類似的FAST觀測，且靈敏度還可以進一步提高，我們期待這方面的突破。

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