成果速递

近日，厦门大学天文学系方陶陶教授团队与意大利佛罗伦萨大学、意大利国家天体物理研究所阿切特里天文台及中国科学院国家天文台等机构合作，利用“中国天眼”FAST开展超深中性氢观测，在致密星系群HCG 100周围发现了延伸约100万秒差距的弥散中性氢结构。该结构是迄今通过发射线观测发现的尺度最大、密度最低的中性气体系统之一，为理解致密环境中星系与周围介质之间的气体交换和重子循环提供了新的观测窗口。相关论文已被《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters，ApJL）正式在线发表。

星系如何获得和失去气体？

星系的形成与演化并非封闭过程。星系会从周围的宇宙网和星系际介质中吸积气体，也会在相互作用、并合和反馈过程中将气体重新分布到星系之外。这些跨越星系盘、星系周介质和星系际空间的物质交换，共同构成星系的“重子循环”。原子中性氢（HI）发出的21厘米谱线能够直接示踪冷气体，但星系之间的气体通常极其弥散，其柱密度远低于星系盘内的中性氢，因此长期以来难以在发射中直接探测。

HCG 100由4个晚型星系组成，距离地球约77百万秒差距 (Mpc)。此前的高分辨率观测已在该星系群中发现潮汐尾、星系群际恒星形成区和潮汐矮星系候选体，表明这里正在发生强烈的多星系相互作用。它因此成为研究致密环境中气体如何被剥离、输运和重新吸积的理想实验室。

FAST绘出百万秒差距尺度的弥散中性氢包层

研究团队使用FAST 19波束接收机，对HCG 100及其周边区域进行了总计31.8小时的深度成图观测。平滑后的数据在每20千米每秒速度通道内达到4.8×10¹⁶ cm⁻²的1σ中性氢柱密度灵敏度。凭借FAST对低面亮度、弥散辐射的卓越探测能力，研究人员发现，过去的甚大阵列（VLA）观测主要看到星系盘及高密度潮汐结构，而FAST则揭示出遍布整个观测区域的低密度中性氢（图1）。

图1. HCG 100及周边区域的中性氢分布。背景为DECaLS光学图像；白色等高线为FAST探测到的低柱密度中性氢，绿色等高线为VLA观测到的较高柱密度成分。FAST揭示的弥散气体形成跨越多个星系的巨大包层和桥状结构。红、蓝箭头标示气体速度梯度的方向，黄色“HS”为新探测到的中性氢源。（图源：Yu et al. 2026, ApJL）

这一中性氢结构沿长轴延伸约100万秒差距 (~1 Mpc)，宽度约65万秒差距 (~0.65 Mpc)，最低积分柱密度约为8.6×10¹⁷ cm⁻².弥散气体形成连续的包层和桥状结构，将HCG 100与MRK 935、NGC 7810和AGC 105092等周边星系连接起来。观测还发现了6个此前未被中性氢巡天识别的气体源，并找到了它们可能对应的光学星系。

约一半中性氢隐藏在星系之外

FAST测得整个区域的中性氢总质量约为3.1×10¹⁰个太阳质量，显著高于此前干涉阵列观测的结果。扣除星系及新发现气体源的贡献后，约有1.4×10¹⁰个太阳质量的弥散中性氢分布在星系之外，占该区域中性氢总量的约40%—50%。这表明，仅依赖以往较浅或容易损失大尺度辐射的观测，可能会遗漏致密星系环境中相当可观的冷气体储库。

运动学分析进一步显示，HCG 100周围的气体在约60万秒差距 (~0.6 Mpc) 范围内具有连续、相干的速度梯度，分布与旋转气体结构相似（图2(a)-(b)）；另一条连接HCG 100、MRK 935、NGC 7810及新发现气体源的低密度结构在投影尺度上延伸约90万秒差距（图2(c)-(d)）。位置—速度图中的连续分布表明，这些气体并非彼此孤立的云团，而很可能属于与星系群环境动力学相联系的大尺度气体结构。

图2. HCG 100周围中性氢的位置-速度（P-V）分析。左图黑色箭头表示取样路径；右图横轴为沿路径的位置，纵轴为视向速度。上排呈现HS 1-HCG 100-HS 6之间跨约60万秒差距的连续S形速度结构；下排显示HS 3、NGC 7810、MRK 935与HCG 100之间约90万秒差距的相干连接及速度转折，表明这些低密度气体并非彼此孤立的云团。（图源：Yu et al. 2026, ApJL）

潮汐遗迹，还是来自宇宙网的气体吸积？

目前的观测支持两种可能的物理图景。第一种是潮汐起源：HCG 100与周边星系长期相互作用，将中性氢从星系中剥离，并在超过10亿年的时间里拉伸成巨大的气体尾和桥。第二种是气体吸积：星系群位于大尺度结构的汇聚区域，部分低密度气体可能沿宇宙网向星系群势阱汇聚，随后又被多星系相互作用重新塑形。

值得注意的是，周边星系并未表现出显著的中性氢贫乏。这意味着，如果弥散气体主要由潮汐剥离产生，这些星系可能原本异常富气体，或者在失去气体后又得到了补充。无论哪一种情景，要形成当前尺度的中性氢结构都需要超过10亿年的动力学时间，而如此低柱密度的气体通常容易被宇宙紫外背景电离。它为何能够长期保持中性，构成了新的理论挑战。

该发现表明，巨量的弥散中性气体可以在星系群周围以百万秒差距尺度长期存在，并可能构成致密环境中此前未被充分认识的重子循环成分。研究结果也为新一代高分辨率宇宙学模拟提供了关键观测基准：模型需要同时追踪从星系际介质到星系盘的气体流动、多相转变和长期生存。未来更大范围的高分辨率中性氢成图（如SKA等）、金属丰度测量以及多相气体观测，将有助于区分潮汐剥离与宇宙网吸积的相对贡献。

研究论文

该论文题为“Megaparsec-Scale Neutral Hydrogen Flows in the Neighborhood of Hickson Compact Group 100”，已正式发表于《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）。论文第一作者、通讯作者为意大利佛罗伦萨大学/意大利国家天体物理研究所阿切特里天文台博士后余清正（厦门大学天文学系毕业博士），厦门大学天文学系方陶陶教授为共同通讯作者。合作者包括Enrico M. Di Teodoro博士、程诚研究员和徐聪研究员。

该研究得到国家SKA专项（2025SKA0150103）及国家自然科学基金（12550002、12133008、12221003、11890692）资助。

论文链接（DOI）：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae8f37