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108亿光年外的“喜马拉雅山脉” 但出现的地方有点奇怪

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我们知道星星通常会“抱团取暖”,组合在一起形成星群、星团等。那你有没有想过一群黑洞,而且是一群质量超大质量黑洞,扎堆聚集在一起,这是个什么场面?

日本国家天文台(National Astronomical Observatory)的梁永明(Yongming Liang)领导的一个国际研究小组在分析斯隆数字巡天(Sloan Digital Sky Survey)的数据时,在两组星系团狭小的结合部发现了11个类星体,一举打破之前5个类星体群的纪录。这一发现给天文学家带来了很大的困惑。


迄今宇宙中的最密集的超大质量黑洞群。背景图像由昴星团望远镜上的超主焦相机(HSC)拍摄。红色和蓝色阴影分别代表超大质量黑洞(类星体)和周围数百个年轻的产星星系的密度。白色方块框住的是类星体,较大的方块显示特写图像。(来源:Subaru Telescope / SDSS, Liang et al.)

类星体是在上世纪60年代被发现的一种非常特殊的天体。它们的典型特征是:遥远、明亮。大多数类星体的亮度超过银河系几十倍,然而,它们远在几十亿甚至上百亿光年外发出的光,却依然能被地面观测到。之所以叫“类星体”,就是因为它们看上去像恒星。


左图:哈勃空间望远镜拍摄的历史上第一个类星体3C 273(来源:NASA and J. Bahcall (IAS))右图:使用星冕仪将类星体主要光学部分挡住,其宿主星系才有可能被探测到。(来源:NASA, A. Martel (JHU), H. Ford (JHU), M. Clampin (STScI), G. Hartig (STScI), G. Illingworth (UCO/Lick Observatory)

当然,事实上并不是。现在我们认为类星体是遥远的较大质量的星系的核心区域。类星体的巨大能源来自于 大量物质坠落 星系中心超大质量黑洞的过程。所以,类星体 ≠ 星系类星体 ≠ 黑洞,但是类星体又由星系中心超大质量黑洞直接驱动。

黑洞在人们的印象中是只进不出吞噬一切的怪物。然而,事实上黑洞在疯狂“进食”的过程中是会向外释放辐射的,虽然辐射并不来自黑洞的内部。辐射越强说明黑洞吸积物质越多。所以,一个类星体不仅意味着存在一个“大胃王”黑洞,也暗示着它正在 狼吞虎咽!早期星系核心物质很密集,给超大质量黑洞创造了成长条件。另外还有一种情况,就是两个正在碰撞的星系,


类星体的艺术想象画(来源:ESO/M. Kornmesser)

斯隆数字巡天项目是有史以来规模最大、最详细、被引用量最高的巡天项目之一,其目标是扩大我们对宇宙大尺度结构和演化、恒星和星系的形成、银河系的历史、超大质量黑洞的性质的理解。该项目由美国天体物理研究协会(ARC)主导运行,2000年正式投入巡天观测。目前正在进行第五阶段运行,全球有超过40个机构参与。

研究人员在斯隆巡天 BOSS J0210+0052 区域,一个约 10000 平方度的天空范围内,发现了 11 个红移在 2.16-2.20 之间,即距离地球约 108 亿光年的类星体。如果换算成一个立体空间的话,大概是在 1.3 亿光年见方的范围里,挤进去 11 个超大质量黑洞。密度是平均水平的 30 倍,是迄今为止在红移量 z>2 位置上密度最高的区域,就好像远方突然出现了连绵不绝的群山。因此研究团队将这一发现称为“宇宙喜马拉雅山脉”(Cosmic Himalayas)


黄色X标记表示类星体的位置。色标代表中性氢的密度,红色表示高密度,蓝色表示低密度(蓝色区域富含电离气体)。中性氢集中在左侧星系团中,而电离氢出现在右侧星系团周围。黑色等值线表示星系密度。灰色区域是由于缺少图像或因为明亮前景恒星影响的区域。(来源: Subaru Telescope / SDSS, Liang et al. 2025)

随后,研究团队使用位于夏威夷的昴星团望远镜(Subaru)对 BOSS J0210+0052 区域进行了为期 10 天的观测。在昴星团的图像中,研究人员发现物质的分布有两个相对集中的区域,A和B,就像两个山头一样。同时,识别出 465 个星系,大部分位于A、B两个山头中。这是很好理解的。但奇怪的是,在斯隆巡天中所发现的 11 个类星体不在物质丰富的地方,而是在结合部。打个比方,这片天区的物质分布形成“两山夹一沟”的形态,而拥有超大质量黑洞正在吞噬大量物质的类星体却生活在“山谷”中,你说奇怪不?


黄色X标记表示通过斯隆巡天发现的11个类星体的位置,白色小圆代表通过昴星团望远镜发现的星系(莱曼α发射体,LAEs),方块代表莱曼α团块。(来源: Liang et al. 20 25 )

目前研究人员还无法给出很好的解释。不过先别急着说挑战现有理论,因为更主要的原因是还有很多情况尚未掌握。比方说,直径 1.3 亿光年应该是一个典型的超星系团的尺度,参考我们所在的本超星系团,直径约 2 亿光年,包含了 1000~2000 个星系,那么如果 BOSS J0210+0052 只有 400 多个星系,是不是显得少了些?研究团队通过氢原子莱曼α特征辐射(Ly α 来示踪星系物质,但 莱曼α辐射也会遇到吸收和散射,是否可能由于尘埃阻挡而未发现类星体附近的星系?(斯隆巡天发现的类星体与昴星团望远镜发现的星系有部分对应,但并不全部对应。)类星体的数量或许也不是定论,会不会还有些没被发现?因为毕竟昴星团望远镜口径有 8.3 米,而斯隆巡天只是 2.5 米的“小”镜子,极限星等差了3、4个星等呢。


地球所在的本超星系团模拟图。 本星系群位于图像中心(Local Group), 黄色标出的是几个更大更重要的集团:室女座星系团(Virgo Cluster)、天炉座星系团(Fornax Cluster)、波江座星系团(Eridanus Cluster)。(来源: Richard Powell )

从类星体的特点和星系演化机制上考虑,也能做些假设。比方说类星体的强烈辐射形成一片“禁区”,有可能抑制了周围星系的形成,或是因为气体被吹散,导致我们没法有效追踪到更多星系,让我们误以为类星体周围星系密度较低。以及,现在我们观测到的形态容易让人想到距离我们不太遥远的“子弹星系团”,两个原星系团(尚未定形)正在发生碰撞,从而触发了类星体活动,并改变了气体分布。


子弹星系团。蓝色表示通过引力透镜计算出的星系团质量分布,紫色表示由钱德拉空间望远镜探测到的X射线辐射,表明气体正在高速碰撞。(来源: NASA/CXC/M. Weiss )

类星体是宇宙“青春期”的产物,在宇宙大尺度结构以及星系演化过程中扮演着十分重要的角色。“宇宙喜马拉雅山脉”或许蕴藏着宇宙历史的重大谜团。

参考资料:

[1] Yongming Liang et al. Cosmic Himalayas: The Highest Quasar Density Peak Identified in a 10,000 deg2 Sky with Spatial Discrepancies between Galaxies, Quasars, and IGM HI, 2025 ApJ, 986, 60 (DOI: 10.3847/1538-4357/adc1bb)

[2] Cosmic Himalayas Quasar Cluster Defies Explanation (https://www.nao.ac.jp/en/news/science/2025/20250603-subaru.html)

[3] 斯隆数字巡天项目第五期 Sloan Digital Sky Survey in the Fifth Phase (SDSS-V) (http://www.swifar.ynu.edu.cn/gjhz_Collaborations/slszxtxmdwq_SDSS_V.htm)

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