## 天文学家因发现一个不含恒星的气体云而兴奋不已

天文学家此前曾发现过不含恒星的气体云，但云9可能是迄今最原始的一个，对理解宇宙演化历史具有重要启示。

这张图像以品红色显示了位于距今约1600万光年远的梅西耶94星系外围区域中被称为云9的中性氢气体探测结果，叠加在哈勃空间望远镜对该天区拍摄的深度光学图像之上。白色圆圈标示的区域内迄今未发现任何恒星迹象，但整个品红色区域仍持续存在约100万倍太阳质量的中性氢气体。 图片来源：J.德帕斯夸莱（太空望远镜科学研究所）

理论上，宇宙中不仅存在恒星丰富的星系，还应存在大量从未坍缩形成恒星的中性氢气体云。 此类候选气体云此前已有观测发现，但通常质量较大；此外，其中往往包含数十万颗甚至更多恒星，而对其恒星含量的限制通常较为宽松。 然而，在梅西耶94星系外围发现的云9，却呈现出一种特殊情形：其氢气质量约为一百万倍太阳质量，内部却未探测到任何恒星。它或许是我们迄今所知最原始、最未受扰动的早期宇宙遗迹。

在浩瀚的宇宙中，存在着各种尺寸与质量的物质团块。我们最为熟悉的或许是像银河系这样的星系：其中包含数千亿倍太阳质量的恒星、更为丰富的气体与等离子体，以及超过一万亿倍太阳质量的暗物质。而在质量更小的尺度上，普通物质云团发生引力坍缩所需的时间更长，且坍缩过程也愈发困难。倘若这些低质量物质团块最终发生坍缩，便会形成恒星；而恒星辐射出的能量往往将周围残余的气体驱散。但另一方面，若外部注入足够能量，这些团块也可能始终无法坍缩。

这就是天文学家所称的RELHIC概念背后的思想。

通常处于旋转状态，表明存在一个坍缩的盘状结构； 质量通常较高，约为一亿倍太阳质量或更大； 对其中所含恒星数量的下限约束相对较弱，一般不会低于相当于十万倍太阳质量的恒星总质量。

但随着新发现的无星气体云云九以及对该同一视场进行的深度哈勃望远镜成像观测，我们或许已首次发现了人类已知的RELHIC。以下是我们的发现及其科学意义。

梅西耶94星系于1781年被发现，是距离地球最近且最明亮的星系之一，距离仅为1600万光年。其主盘面外围环绕着延展的螺旋结构，目前该星系中大部分恒星正形成于这些区域。 致谢：R杰伊加博尼（黑鸟天文台）

首先，让我们从云九本身开始，探讨它为何是一个如此有趣的发现。上方展示的是梅西耶94星系：一个距离较近、亮度较高、质量较大的星系。尽管其尺度略小于银河系，但目前已知其周围存在约20个卫星星系，这些卫星星系均含有大量恒星，且在引力作用下与梅西耶94星系保持束缚关系。

然而，这很可能只是冰山一角。非常有可能在M94周围还存在更多卫星星系，因为对邻近星系的高分辨率观测显示，每个类似银河系的星系周围通常存在30到100个小型卫星星系。

为搜寻这些疑似存在的额外卫星，中国研究人员利用世界上最大的地面射电望远镜——五百米口径球面射电望远镜（FAST），对梅西耶94星系周围区域开展了系统性巡天观测。此次观测不仅确认了该星系已知卫星的存在，还通过探测其中的中性氢气体，发现了若干新的卫星候选体。

这张图片展示了目前世界上最大的单口径射电望远镜：五百米口径球面射电望远镜（FAST）。该望远镜于2020年建成并投入使用，取代了此前保持纪录的阿雷西博望远镜。阿雷西博望远镜在2020年底因结构失效而损毁。如今，FAST是同类望远镜中口径最大的一座。 图片来源：SCJiangWikimediaCommons

大多数被探测到的气体云对应着大质量的气体：中性氢的质量达数千万倍太阳质量甚至更多。但其中第九个由FAST发现的气体云却呈现出大范围延展的中性氢分布，其总质量却相对较小，仅约一百万倍太阳质量，尺度超过4000光年。更引人注目的是，对该区域开展的其他多波段成像观测——包括光学、红外及射电波段——均未在该气体云中发现确凿的恒星存在证据。

这引起了众多天文学家的兴趣，并促成了一项有趣的后续项目：不仅使用其他射电望远镜对该区域进行深入观测，还利用哈勃空间望远镜对其进行深度成像。这将使我们能够判断云9是否确实是一个不含恒星的气体云——在距离我们1600万光年的情况下，探测其中是否存在极少量恒星已接近我们观测能力的极限；或者，它内部其实存在恒星，而最初之所以被归类为可能不含恒星的云团，仅仅是因为早期观测数据的质量不够高。

该叠加图显示了位于梅西耶94外围的云九区域，其中红色等高线表示来自甚大阵列的中性氢探测结果。哈勃望远镜影像主要覆盖图中蓝色方框标示的区域，但在其全部观测范围内均未发现与该天体位置一致的恒星。 致谢：G.Anand等，《天体物理学杂志通讯》

这项任务并不像表面看起来那样简单。你或许会想：哦，我只需利用高质量的观测数据，查看其中是否能分辨出单颗恒星，如果能够分辨，再结合该天体的距离，推算出恒星的总质量。

但现实情况要复杂得多。在1600万光年的距离上，这很可能是一个暗弱的矮星系，尤其可能属于低表面亮度星系，其恒星因过于暗淡而无法被现有望远镜分辨出来。当地面望远镜无法在整体天区背景亮度之上探测到单颗恒星时，这类天体（如云九）所含恒星的总质量便可能被限制在数十万倍太阳质量量级。

然而，进入太空后，便不再需要应对大气层及全天亮度的影响。哈勃望远镜的影像能够揭示：在射电数据所指示的氢气密度最高的同一区域，是否存在可探测到的恒星。若该区域影像中确实存在恒星，则可通过直接观测与数值模拟相结合的方式，推断出该区域的整体恒星质量。

这张图片图像展示了哈勃望远镜拍摄的以梅西耶94星系外围云9位置为中心的原始视场，并叠加了甚大阵列观测得到的中性氢密度分布（以粉色显示）。在该区域的关键观测范围内，无法分辨出任何恒星。 鸣谢：约瑟夫德帕斯夸莱（太空望远镜科学研究所）

但如果未观测到任何恒星，我们仍可利用这些观测和模拟结果，对该区域可能包含的恒星数量设定一个上限。如你所见，将甚大阵列射电望远镜的数据叠加在原始哈勃望远镜拍摄的图像上后，所关注区域并未显示出存在恒星的迹象。

事实上，云九具备若干特征，使其成为迄今从未形成过恒星的氢气储库的有力候选者。这些特征包括：

它正以略高于300千米秒的速度远离我们，这一退行速度与梅西耶94完全相同； 它距离梅西耶94约25万光年； 它展现出极强的中性氢谱线特征，却未探测到任何恒星； 而要容纳如此大量中性氢且不形成恒星，必须存在一个质量超过10亿倍太阳质量的显著暗物质晕。

你看，如果一个暗物质晕中包含中性氢气体，那么在完全孤立的情况下，只要聚集在一起的质量足够大，理论上就应当能够形成恒星。然而，当天文学家将哈勃望远镜的影像数据与其他观测资料综合分析后，却得以对其中可能存在的恒星群体施加极为严格的限制。

哈勃望远镜拍摄的云9周围区域原始图像中，未观测到任何恒星存在的迹象。图像底部从左至右依次标示了理论预期中不同质量恒星应产生的信号，其质量范围约为30万倍太阳质量至约1000倍太阳质量；而实际观测结果与最低质量恒星对应的信号最为吻合。

利用地面望远镜成像，我们只能得出其中恒星数量远少于数十万颗这一粗略结论，而无法进一步收紧限制条件。然而，借助哈勃空间望远镜的成像能力，研究人员得以排除该天体中存在质量达10万、3万、1万乃至3000倍太阳质量的恒星的可能性。综合分析表明，该天体内所含恒星的总质量至多约为1000倍太阳质量——这一数值与该气体云中所含约100万倍太阳质量的中性氢气体相比，显得极为微小。

研究人员通过模拟以下过程来确定内部恒星质量的允许范围：

如果我们拥有该范围内的总恒星数量， 那么哈勃数据中所呈现的单颗恒星数量范围应为多少？ 此外，鉴于我们在哈勃数据中最多仅观测到1颗超出正常背景的恒星，且结合我们对恒星颜色与光度的认知，我们能在多大程度上排除较高的恒星质量取值？

在天体物理学和粒子物理学领域，高于5σ显著性水平（该领域的黄金标准）的观测结果已完全排除了质量超过10,000倍太阳质量的恒星存在的可能性。质量为10,000倍太阳质量的恒星在99.5%置信度（约3σ）下被排除；而质量约为3000倍太阳质量的恒星则在约95%置信度（即2σ）下被排除。

哈勃太空望远镜观测云9在赫罗图（CMD）区域所预期出现的多余恒星数量的模拟结果。由于观测到的多余恒星最多仅有1颗，这些模拟结果可相当可靠地排除恒星质量为10⁵、10⁴⁵和10⁴倍太阳质量的情形。而约10³⁵倍太阳质量（即约3000倍太阳质量）则是与哈勃观测结果仍相容的最高允许恒星质量。 来源：G.Anand等，《天体物理学杂志快报》

通过这一详细分析，并结合对哈勃数据的目视检查，研究人员合理地得出结论：该天体（Cloud9）利用绿岸望远镜观测到含有140万倍太阳质量的中性氢，但其恒星质量至多仅有约3000倍太阳质量。这意味着其气体与恒星的质量比超过4001，在矮星系中属于极为罕见的异常值。

通常情况下，会发生的是：

一个巨大而致密的暗物质晕， 也会吸积大量气体； 当足够多的气体在某一区域聚集后，便会冷却并发生坍缩； 这种坍缩首先形成盘状结构，继而触发恒星的形成； 这些恒星若质量足够大、能量足够高，便会将星系中剩余的气体吹出， 最终只留下一群恒星，嵌于深厚的暗物质晕之中。

我们在邻近宇宙中观测到各种矮星系均存在类似现象，包括像塞革1（Segue1）和塞革3（Segue3）这样的星系——它们是邻近区域中恒星质量最低的星系之一，总恒星质量仅有数百颗太阳质量（甚至可能不超过一千颗太阳质量），但其观测到的运动速度（或速度弥散度）却表明其含有高达数十万太阳质量的暗物质。正是通过将新发现的天体云九（Cloud9）与此前已知且更为常见的矮星系进行对比，我们才能真正认识到云九的非凡之处。

在矮星系Segue1和Segue3中，总共仅存在约1000颗恒星，总质量约为175倍太阳质量；其中Segue3的引力质量却高达约60万倍太阳质量。图中已用圆圈标出构成矮卫星星系Segue1的恒星。随着我们不断发现更小、更暗、恒星数量更少的星系，人们日益认识到这类小型星系的普遍性，以及其暗物质与普通物质质量比可达到极高的程度；此类星系的数量可能多达银河系这类星系的约100倍，且暗物质质量往往超过普通物质质量数百倍甚至更多。 图片来源：MarlaGeha凯克天文台

这是因为我们关于矮星系所讲述的这种标准故事，与迄今为止发现的绝大多数矮星系相符。然而，矮星系的演化还存在另一种可能的路径。在此情景下：

你从一个暗物质晕开始，大量中性氢落入其中，但由于宇宙紫外背景辐射（即宇宙中恒星形成所产生的紫外辐射）的存在，氢气体难以有效冷却，因而保持弥散状态；这种紫外辐射逐渐驱逐了暗物质晕内部的部分（甚至大部分）氢气体，最终仅留下少量氢气储存在一个大质量暗物质晕内，其中可能只形成极少数恒星，甚至完全未形成恒星。

两年前，格林班克望远镜因操作失误，意外观测了一片本无预定科学目标的天区，却由此取得一项重大发现。此后被称作暗原始星系的天体，其氢气质量约为十亿倍太阳质量，却未探测到任何可见恒星。然而，这些气体确实在旋转，并呈盘状结构；其总质量之高，强烈暗示其中应存在恒星，只是目前所用观测手段尚无法将其分辨出来。

但云九则完全是另一回事，其物质自宇宙大爆炸以来，从未参与过任何一颗恒星的生命循环。

如果这一情况适用于新近发现并探测到的Cloud9系统，那将是一项极为激动人心的发现。如果存在背景类星体的光穿过该云团，我们便可通过吸收光谱学来探测其中是否存在氢、氦，以及是否不含其他元素。如果宇宙紫外背景辐射正在逐步电离云团中的氢，我们应能探测到微弱而弥散的发射线信号，从而揭示其中存在或不存在哪些元素，以及它们的丰度。此外，由于我们已观测到Cloud9内部没有旋转迹象，因此可以推断该系统并未由其普通物质形成盘状结构，这也不支持近期或正在进行的恒星形成活动。

该图展示了星系中恒星质量（横轴，对数坐标）与同一星系中中性氢气体质量（纵轴，亦为对数坐标）之间的关系。多数斯隆数字巡天（SDSS）星系分布于图右侧的等高线区域；而低质量矮星系则对应于右下角绿色及其他颜色标记的数据点；与云9相关的星系则明显偏离主趋势，其气体与恒星质量比极高，甚至与完全不含恒星的情形仍相容。 致谢：G.Anand等，《天体物理学杂志快报》

有趣的是，最近一篇关于该系统的论文作者严谨地考虑了若干看似合理的、针对云九这一解释的替代性方案。

它是否可能是银河系内前景的高速气体云？这一可能性因云9的退行速度与疑似宿主星系梅西耶94精确吻合而被排除。 云9是否可能属于位于数十万光年之外的麦哲伦流？这并非完全不可能，但麦哲伦流在天球上的位置与梅西耶94所在方向相反。 它是否可能是处于热平衡状态、弥散于梅西耶94周围炽热电离星系际介质中的中性气体云？该模型符合多项观测特征，但存在一个关键矛盾：宇宙年龄约为138亿年，而持续发生的冲压作用将在约1000万年内瓦解该气体云，即比云9实际存续时间快约1000倍。

所有这些都指向REHLIC（或称再电离时期受限的中性氢云）模型作为解释云9的主导理论。值得注意的是，未来的观测——无论是利用哈勃空间望远镜开展更长时间的观测，还是借助詹姆斯韦布空间望远镜在更长波段上开展更高精度的观测——都有可能直接探测该天体，从而进一步压低其内部恒星数量的上限，甚至确认其中确实不含任何恒星。正如天文学中常常出现的情形那样，通过协同使用对不同波段光敏感的多种观测设备，我们能够比单独依赖某一台最先进的设备获取更为全面、深入的系统信息及其本质认知。在天文学中，更多观测固然有益，而多样性同样宝贵。

相关知识

气体云是宇宙中由氢、氦等气体及微量尘埃组成的巨大弥散结构，通常跨度达数十至数百光年。它们密度极低，但总质量可相当于数千个太阳。在引力作用下，部分气体云会逐渐坍缩，触发恒星形成过程。观测上，气体云常呈现为暗黑斑块（如马头星云）或发光区域（如猎户座大星云），是研究恒星与行星系统起源的重要对象。

BY: Ethan Siegel

FY: AI

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