2019年9月27日

 

含中研院天文所的成員在內的國際天文團隊藉Subaru和其他望遠鏡觀測發現，在130億光年外的宇宙中一個由12個星系組成的原始星系團，這成為天文學界發現到最遙遠的原始星系團，刷新先前由Subaru望遠鏡和其他望遠鏡所保持的舊紀錄。值得一提的是，12個星系中有個名為「卑彌呼」（英文名: Himiko）的巨型氣體星雲，10年前也是由Subaru 望遠鏡所找到，並以古代日本神話中一位深居宮中，很少有人見到過她的女王命名 （注）。新發現顯示，像原始星系團這樣巨大的結構體，有可能早在宇宙僅只有8億年時（約今日宇宙年齡6%）就已存在了。

在目前的宇宙中，已完整形成的星系團所擁有的星系數量大約在1000個左右，其中約10個屬於巨型星系。星系團是宇宙中最大型的天體，因星系間相互連結而形成一個巨大網絡（又稱為大尺度結構），因此，星系團是宇宙結構的基本組成部分，在宇宙138億年歷史上，星系團是如何形成的，一直是天文學的重要問題。

 

為能揭開星系團形成的奧秘，天文學家一直在尋覓星系團的先祖，也就是「原始星系團」；所指的是在早期宇宙中處於正在形成狀態的一種緻密系統星系團。因此，尋找及分析原始星系團，對能了解在星系過密區域中的星系如何形成，是很重要的一步，但在研究星系演化的領域中，目前仍未能解答這部分。先前觀測中，已經發現許多原始星系團，其中也包括此前「最古老」星系團的紀錄保持者，「SDF原始星系團」(英文全名是”Subaru Deep Field protocluster”，亦即由「Subaru 望遠鏡」的「深空計畫」發現，位於后髮座。)

日本國立天文台特別研究員播金優一是這項國際天文計畫的團隊主持者，播金說，「想知道原始星系團在何時形成，必須回到宇宙的過去，也就是往宇宙更深處的太空裡去找。不過原始星系團和其他系統的差異在於星系密度極高，又稀有又特別，並不好找。要克服這個困難，需要使用新的廣角成像設備，也就是Subaru望遠鏡上所配備的『新一代超廣角相機』，我們搜查了大範圍的天區，繪製了一張極大的宇宙天圖，這個罕見的原始星系團就包含在其中。」

 

從Subaru望遠鏡繪製出來的宇宙圖裡，研究團隊初步識別到一個原始星系團的候選對象──Z660D，在該區中的星系數量較預期多15倍。接下來，團隊透過凱克望遠鏡及雙子星望遠鏡做光譜觀測追蹤，確認12個星系都在同一位置，與地球距離皆為130億光年。負責光譜觀測的東京大學宇宙射線研究所助理教授小野宜昭表示，「因為12個星系在3維中呈現出密集的特徵，如圖2，所以我們做出結論： Z660D是個原始星系團，且位在130億光年外。它打破了最遠原始星系團的舊紀錄，比前次紀錄（由「SDF原始星系團」取得的）更遠１億光年。

有趣的是， Z66OD的12個星系中，有一個是Subaru 望遠鏡曾於2009年發現的「卑彌呼」巨型氣體星雲。日本國立天文臺和東京大學宇宙射線研究所的大內正己教授表示：「在一個巨型原始星系團中發現像卑彌呼這樣的巨型天體並不令人意外，但教我們驚訝的是，卑彌呼竟不是位在原始星系團的中心，而是距離中心還有5億光年遠！」大內教授是卑彌呼的發現者，也是本次研究團隊成員之一，他進一步說明：「現在還不知道卑彌呼不位於星系團中心的原因是什麼，但這次取得的結果將成為理解星系團和巨型星系間有何關係的重要線索。」

 

另外，該團隊還發現Z660D原始星系團中有同樣令人詫異的活躍恆星形成，這是根據Subaru望遠鏡、英國紅外望遠鏡、史匹哲太空望遠鏡等所取得的觀測結果而得知的。研究團隊成員Darko Donevski（義大利國際高等研究院研究員）表示，「以在宇宙的同時間、用質量與之相仿的其他星系來比較，在Z66OD原始星系團中星系形成的恆星總量，是別人的五倍。在那裡的星系能高效形成恆星，背後原因有可能是大量的氣體──氣體是恆星誕生必備的原料──正從周圍源源不絕流入這個質量很大的Z66OD系統。」

總之，這項發現表示，原始星系團在宇宙僅只8億年時（約今日宇宙年齡6%）就已存在，正在成長為一個內含有活躍恆星形成的星系團。研究團隊成員之一的藤本征史（早稻田大學）表示：「近期有些觀測顯示在原始星系團中，有可能也含有遭塵埃遮蔽的大質量星系，雖然那樣的星系在Z66OD中目前還沒有發現，但隨著ALMA和其他觀測設備能力提高，未來則不無可能，屆時將進一步揭開Z66OD的完整樣貌。」

（注）：卑彌呼這個名字在《三國志·魏書·倭人傳》中也有記載。

 

[照片與圖]

(照片) 這是「史上最遙遠的原始星系團」(「Z66OD原始星系團」）的假色圖。將Subaru望遠鏡觀測到的三色濾鏡資料疊加而成。藍色部分顯示Z66OD原始星系團，12個局部放大的方框內的紅色物體是這個原始星系團的12個星系。

(圖) 本圖顯示這項研究所取得的星系分佈三維圖。星系位置以黑點表示，藍色越深表示星系密度越高。在紅色箭頭所指位置，就是文中提到的「史上最遙遠原始星系團」。朝上的座標軸表示天體和地球的距離，朝前以及朝右的座標軸分別為赤經及赤緯。