星系团是宇宙中最大的引力束缚结构，它们是研究星系演化和宇宙学的有力工具。在人们已经发现的较成熟星系团中，最遥远的已达110亿光年之外（即宇宙学红移2.5左右）。近年来，越来越多的工作开始搜寻更遥远的原初星系团，即星系团的前身。这些原初星系团能为研究早期宇宙结构形成和演化提供理想平台。但是，寻找那些极早期、还在形成过程中的大型原初星系团非常困难。

 

艺术想象图：127亿光年外的巨型原初星系团

最近，由北京大学科维理天文研究所江林华研究员领衔的国际团队发现了宇宙早期一个超大质量的原初星系团。该原初星系团位于红移5.7处：那时的宇宙年龄仅为10亿年，即现在宇宙年龄的7%左右，其大小约35³立方共动兆秒差距（一兆秒差距大约为3.26百万光年）。该原初星系团最终会塌缩为质量约3.6×10¹⁵太阳质量的星系团，使之成为目前已知宇宙早期最大的原初星系团。

江林华及其团队利用位于智利的麦哲伦望远镜对大约四平方度的天区进行深度星系光谱巡天，获得一个均匀的高红移星系大样本，包括红移5.7左右的莱曼发射线星系。他们观测了五个著名的深场，并在一个称为SXDS的深场中发现了一个红移为5.7的、巨大的星系高密度天区。随后他们利用光谱观测证实了至少41个较亮的莱曼发射线星系。上述原初星系团（简称SXDS_gPC）位于该天区的中心区域，尺度约为35³立方共动兆秒差距，其星系空间密度为红移5.7处平均密度的6.6倍左右。据研究表明，目前还尚未发现在高红移处具有如此大尺度和高密度的原初星系团。而SXDS_gPC的大尺度和高密度远超经典球状引力塌缩理论框架下的塌缩条件，同时，宇宙学数值模拟结果也表明，SXDS_gPC的结构将不可避免地塌缩成一个巨型星系团。江林华团队采用两种方法估计SXDS_gPC塌缩后的质量，包括重子质量和暗物质质量。结果表明SXDS_gPC将塌缩成一个质量约为3.6×10¹⁵太阳质量的星系团。该质量与现已知的、低红移处的最大星系团或者原初星系团质量相似，但远大于所有已知的高红移原初星系团质量。

 

原初星系团SXDS_gPC的所在天区示意图：蓝点和红点表示已经证实的莱曼发射线星系；青色区域表示SXDS_gPC，其星系密度为平均密度的6.6倍，将塌缩成一个质量约为3.6×10¹⁵太阳质量的星系团

冷暗物质宇宙学模型（即现在的标准宇宙模型）预言宇宙中较小的结构通过合并形成更大的结构，也就是说，最大的结构往往形成于宇宙演化的后期。而江林华团队发现的这个巨型原初星系团已经在红移5.7处（127亿光年之外）存在，这相当令人意外。尽管该原初星系团还没有达到引力维里化，但它很高的密度表明该高密度区形成于更早的时期。此类天体将为研究早期宇宙中的结构形成提供一个有力的工具。

2018年10月15日，该工作以“A giant protocluster of galaxies at redshift 5.7”为题在线发表在《自然-天文》（Nature Astronomy,2018,DOI:10.1038/s41550-018-0587-9），并被选为当天唯一的高亮（highlight）文章。江林华为文章的第一作者兼通讯作者。这项研究得到科技部重点研发计划和国家自然科学基金委等项目资助。

相关报道：一起来看宇宙“幼升小”时的模样——科学家找到127亿年前的巨大原初星系团《中国科学报》(2018-10-17 第1版 要闻)

编辑：麦洛

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