在浩瀚宇宙中，有一種被天文學(xué)家稱為“天然宇宙激光”的極端天體——羥基巨型脈澤。

它們是星系劇烈碰撞與星暴活動(dòng)的明亮燈塔，在數(shù)十年的觀測(cè)中，這種天文現(xiàn)象始終被限制在距離地球30億光年以內(nèi)的近鄰宇宙。

近日，南非射電天文團(tuán)隊(duì)借助MeerKAT望遠(yuǎn)鏡，成功捕捉到了來自80億光年外的羥基巨型脈澤信號(hào)。

一舉將這類天體的紅移紀(jì)錄從z<0.25推高至z=1.027，成為人類迄今探測(cè)到的最遙遠(yuǎn)、表觀最明亮的羥基脈澤系統(tǒng)，相關(guān)成果已被《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》正式接收。

脈澤是什么？

脈澤與激光的機(jī)制其實(shí)差不多，二者的核心物理本質(zhì)一樣：都是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)引發(fā)的受激輻射放大。

區(qū)別在于：激光是在可見光波段，而脈澤輻射則集中在射電波段。

這次發(fā)現(xiàn)的80億光年外的羥基巨型脈澤信號(hào)，也純屬機(jī)緣巧合。

和銀河系內(nèi)常見的恒星級(jí)羥基脈澤不同，河外星系中的巨型脈澤亮度可達(dá)前者的數(shù)百萬(wàn)倍，它們的誕生有著極為嚴(yán)苛的環(huán)境要求：必須同時(shí)具備提供種子光子的背景致密射電源、能實(shí)現(xiàn)羥基分子粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的強(qiáng)遠(yuǎn)紅外泵浦輻射，以及高密度、速度相干的大質(zhì)量分子氣體庫(kù)。

而正在發(fā)生劇烈并合的極亮紅外星系，剛好能滿足所有條件：星系碰撞的引力作用會(huì)大規(guī)模壓縮星際氣體，觸發(fā)每年數(shù)百倍太陽(yáng)質(zhì)量的極端星暴活動(dòng)，產(chǎn)生的強(qiáng)遠(yuǎn)紅外輻射為脈澤提供泵浦能量，最終讓羥基分子的受激輻射被指數(shù)級(jí)放大，形成能跨越數(shù)十億光年被人類捕捉的宇宙信標(biāo)。

這次的脈澤宿主系統(tǒng)HATLAS J142935.3-002836，本身就是一個(gè)正在發(fā)生主并合的星系。

它正處于最劇烈的活動(dòng)期：每年近400倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星形成率，搭配總量達(dá)4.6×10^10倍太陽(yáng)質(zhì)量的冷分子氣體儲(chǔ)備，為巨型脈澤的誕生提供了完美的溫床。

更巧合的是，在它與地球之間，剛好存在一個(gè)紅移z=0.218的邊緣盤星系，其巨大質(zhì)量彎曲了周圍時(shí)空，形成了天然的“宇宙放大鏡”——強(qiáng)引力透鏡效應(yīng)。

這讓背景星系的信號(hào)被整體放大8-10倍；若脈澤區(qū)位于靠近透鏡焦散線的星系西核，局部放大倍數(shù)甚至可達(dá)40倍，這也是我們能在如此遙遠(yuǎn)的距離捕捉到清晰信號(hào)的關(guān)鍵。

團(tuán)隊(duì)僅用MeerKAT望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了4.7小時(shí)的在軌觀測(cè)，就得到了信噪比超150的高質(zhì)量譜線數(shù)據(jù)。

最終的譜線展現(xiàn)出極為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)：羥基1665MHz和1667MHz兩條主線的輻射完全混合，譜線成分的寬度從不足8km/s到近300km/s不等，其中最窄的成分寬度僅7km/s，對(duì)應(yīng)著尺度不足10pc的極致密脈澤區(qū)。

更意外的是，團(tuán)隊(duì)還在同一組數(shù)據(jù)中，首次發(fā)現(xiàn)了該系統(tǒng)中此前未知的中性氫21cm吸收線，通過速度對(duì)比發(fā)現(xiàn)，羥基脈澤的輻射相對(duì)星系內(nèi)的冷氣體存在明顯藍(lán)移，這暗示著脈澤可能正在追蹤由星暴或中心超大質(zhì)量黑洞活動(dòng)驅(qū)動(dòng)的暖氣體外流。

此前人類對(duì)羥基巨型脈澤的觀測(cè)，一直局限在紅移0.25以內(nèi)的近鄰宇宙，這次發(fā)現(xiàn)直接將觀測(cè)窗口拓展到了宇宙誕生后不到60億年的時(shí)期，讓我們能首次回溯早期宇宙中星系并合、星暴活動(dòng)與黑洞增長(zhǎng)的協(xié)同演化歷史。

同時(shí)，這次發(fā)現(xiàn)也驗(yàn)證了強(qiáng)引力透鏡在高紅移脈澤搜索中的巨大潛力，為未來平方公里陣列（SKA）的大規(guī)模巡天鋪平了道路。對(duì)于天文學(xué)家而言，這只是一個(gè)開始，未來系統(tǒng)性的巡天有望將這些曾經(jīng)罕見的宇宙燈塔，變成我們探索宇宙演化的標(biāo)準(zhǔn)工具，而南非在數(shù)據(jù)密集型射電天文領(lǐng)域的技術(shù)積累與人才儲(chǔ)備，也將在這一進(jìn)程中發(fā)揮愈發(fā)核心的作用。