早期宇宙氢气含量获证实：天文学家揭示宇宙初期氢气丰富

张立武

天文学家证实：早期宇宙确实充满了氢气



天文学家们一直认为，早期的宇宙应该充满了氢气，这是构建恒星和星系的基础材料。现在，他们终于找到了确凿的证据。
哈比-埃伯利望远镜暗能量实验（HETDEX）项目近日宣布，他们发现了数万个巨大的氢气晕，也就是所谓的“莱曼-α星云”。这些巨大的气体云团包裹着100亿至120亿年前的古老星系。
那个时期被称为“宇宙正午”，是星系生长最迅猛的时代。为了维持这种高速生长，星系必须拥有巨大的氢气储备。然而在此之前，天文学家只零星发现过几个这样的结构，一直缺乏足够的证据。
数量激增：从几千到几万
一项发表在《天体物理学杂志》上的新研究彻底改变了这一局面。研究人员将已知的氢气晕数量增加了十倍，从大约3000个猛增到超过33000个。这一发现证实了这些气体晕并非罕见的奇观，而是早期宇宙的普遍存在。这也为天文学家提供了一个更具代表性的样本，帮助他们更好地理解首批星系的起源和演化。
“过去20年左右，我们一直在反复分析同样的那几个天体，”该研究的主要作者、HETDEX数据管理员艾琳·门图奇·库珀说，“HETDEX让我们找到了更多这样的晕，并能测量它们的形状和大小。它真正让我们建立了一个惊人的统计目录。”
为什么氢气晕难以发现
氢气其实很难被直接探测到，因为它自己不会发光。只有当它靠近一个能量巨大的天体——比如一个充满了辐射恒星的星系——时，这些能量才会激发氢气，使其发出微弱的光芒。要捕捉这种光芒，需要使用非常精密的仪器，并投入大量的观测时间。
之前的天文巡天虽然也发现过一些晕，但受限于设备灵敏度，只能看到那些最亮、最极端的例子。而针对早期星系的定点观测往往视野太窄，只能看到最小的晕。因此，介于小家伙和大家伙之间的那些中等规模的结构，一直是个谜。
HETDEX的规模与力量
HETDEX的观测正在填补这一空白。该项目利用位于麦克唐纳天文台的哈比-埃伯利望远镜，正在绘制超过100万个星系的位置图，以期解开暗能量的谜题。
“我们不仅捕捉了这些星系的数据，还捕捉了它们之间区域的数据，总量接近半拍字节，”该论文的合著者、HETDEX首席研究员、德克萨斯大学奥斯汀分校天文学系主任卡尔·格布哈特说，“我们的观测覆盖了超过2000个满月大小的天空区域，这种规模是巨大且前所未有的。”
“哈比-埃伯利望远镜是世界上最大的望远镜之一，”该研究的合著者、德克萨斯大学奥斯汀分校博士后研究员达斯汀·戴维斯补充道，“HETDEX使用的仪器每次观测就能产生10万条光谱。因此，我们拥有海量数据，里面藏着各种各样有趣、奇怪的东西等着我们去发现。”
绘制数千个宇宙“阿米巴”的地图
这些新揭示的晕直径从数万光年到数十万光年不等。有些结构很简单，就像一个橄榄球状的云团包裹着单个星系；另一些则是 sprawling 的不规则斑点，里面包含多个星系。“那些是最有趣的，”门图奇·库珀说，“它们看起来像巨大的阿米巴原虫，伸出触手进入太空。”
为了找到它们，团队从HETDEX目前已识别出的160多万个早期星系中，挑选了7万个最亮的进行重点分析。在德克萨斯高级计算中心超级计算机的协助下，他们检查了这些星系周围是否有晕存在的证据：即一个紧凑的中心氢区域，以及向外延伸的更稀薄的云团。
结果显示，近一半的星系都有这种结构。而且，门图奇·库珀解释说，这个比例很可能被低估了。“我们怀疑那些最暗的系统其实也很大，只是不够亮，无法完全显示出它们的真实尺寸。”
这些晕接下来能告诉我们什么
该团队希望他们的发现能帮助其他人研究早期宇宙：它的结构是如何演化的、物质是如何分布的、天体是如何运动的等等。现在手头有了33000个晕可供研究，问题不再是去哪里找它们，而是该选哪一个来研究。
“关于这个时期的星系，我们有各种各样的模型，它们大多看起来合理且有效，但仍存在空白和漏洞，”戴维斯解释说，“现在我们可以专注于单个晕，更详细地了解其中发生的物理过程和机制。然后我们可以修正甚至抛弃旧的模型，重新开始。”
Lyα Nebulae in HETDEX: The Largest Statistical Census Bridging Lyα Halos and Blobs across Cosmic Noon, The Astrophysical Journal (2026).
DOI: 10.3847/1538-4357/ae44f3