Subaru望遠鏡發現130億光年外的星系群，締造科學新紀錄

國立清華大學天文所副教授後藤友嗣老師所參與，由播金優一(日本國家天文台)領導的國際天文學家團隊使用Subaru, Keck, 以及Gemini 望遠鏡，發現了130億光年外的原星系團(圖1)。這個原星系團由12個星系所組成，是有史以來發現最遠的原星系團，打破了由Subaru望遠鏡和Gran Telescopio Canarias所創造的記錄。此外，12個星系的其中之一是先前由Subaru望遠鏡發現的巨大氣體組成物，稱之為Himiko。此一發現證明，宇宙在大約8億歲時(當前年齡的6％)，就已經存在原星系團等大型結構。

在現今的宇宙中，存在由數百個星系(包括數十個巨大星系)組成的星系團。星系團是宇宙中最大的天文物體。它們相互連接，形成一個巨大的星系網絡，稱為宇宙的「大規模結構」。星系團是組成宇宙結構的重要部分，在宇宙超過138億年的漫長歷史中，這些星系團究竟如何形成，是天文學上的一個重要課題。

為了瞭解星系團的形成，天文學家一直在尋找一個被認定為星系團始祖的星系原星系團。原星系團原本是早期宇宙中數十個星系組成的密集系統，而後逐漸形成一個星系團。在先前的觀測中已經發現了許多原星系團，包括由Subaru望遠鏡在后髮星座附近的Subaru深場中(SDF)所發現的最古老原星系團––SDF原星系團。

領導國際天文學家團隊的日本國家天文台JSPS研究員播金優一表示：「為了探索宇宙究竟何時形成了這樣的原星系團，我們開始了這個研究。」「要瞭解原星系團的形成時間，我們需要進一步探索太空來追溯時光。然而，原星系團是一種罕見的特殊系統，具有極高密度的星系，且其他系統截然不同，非常不容易被找到。為了克服這個問題，我們在Subaru望遠鏡上使用了一個新的寬視場成像器，Hyper Suprime-Cam，並調查了大面積的天空，製作了包括一個罕見原星系團的巨大宇宙地圖。」

在Subaru望遠鏡製作的宇宙地圖中，研究團隊發現了一個原星系團系候選者––z66OD，其星系密度是一般區域的15倍。研究團隊使用Keck和Gemini望遠鏡進行了後續的光譜觀測，發現了在130億光年外的12個星系。進行光譜觀測的小野宜昭(日本東京大學)解釋，“由於十二個星系集中在圖2所示的三維地圖中，我們推論z66OD是距離我們130億光年的一個原星系團。z66OD以1億光年打破SDF原星系團的紀錄，成為目前已知最遙遠的原星系團。本研究報告的主要作者播金優一提到，「事實上，今年5月，當我們還在整理 z66OD的書面報告時，佛羅里達大學的一個研究團隊發表了另一個比SDF還要遙遠的原星系團，我們當時非常驚訝，但後來證實我們的z66OD比該原星系團更遠了1000萬光年。因此，毫無疑問地，z66OD是最遙遠的原星系團。」

有趣的是，組成z66OD的12個星系其中一個是2009年Subaru望遠鏡發現的巨大氣體組成物––Himiko。「在一個巨大的原星系團中找到如Himiko一般、具有巨型體積與質量的物體是合理的」。然而，我們驚訝的是，Himiko並不在原星系團的中心，而是位於離中心5億光年的邊陲地區。「2009年發現了Himiko的日本國家天文台與東京大學研究團隊成員大内正己表示。他說道，“目前仍不清楚Himiko為何不在中心。這個成果將是理解星系團與大質量星系關係的關鍵。」

此外，該團隊也利用Subaru望遠鏡，英國紅外望遠鏡(UKIRT)和Spitzer 太空望遠鏡的觀測結果，在z66OD原星系團中發現了令人驚訝的活躍恒星形成。「相較其他年齡與質量相似的星系，在z66OD的星系中恆星形成的總量是其他星系的五倍。z66OD中的星系非常高效率地形成恆星，推測可能是因為有大量的氣體(恆星的成分)供應到一個非常龐大的系統中(z66OD)。」法國Aix-Marseille大學的團隊成員Darko Donevski解釋道。

這一發現表明，在宇宙只有大約8億歲(當前年齡的6％)的時候，就已經存在正逐漸形成星系團的原星系團，且其中正積極地形成恆星。日本早稻田大學的團隊成員藤本征史評論說：「最近的觀察結果顯示，在原星系團中也存在一個被星塵覆蓋的大質量星系。雖然我們還沒有在z66OD中找到這樣的星系，但未來的觀測，例如ALMA望遠鏡，可能會發現它，並揭示z66OD的完整結構。」

本研究將發表於2019年9月30日的天文物理雜誌(The Astrophysical Journal; Yuichi Harikane, 大内正己, Yoshiaki Ono, Seiji Fujimoto, Darko Donevski, Takatoshi Shibuya, Andreas L. Faisst, Tomotsugu Goto, Bunyo Hatsukade, Nobunari Kashikawa, Kotaro Kohno, Takuya Hashimoto, Ryo Higuchi, Akio K. Inoue, Yen-Ting Lin, Crystal L. Martin, Roderik Overzier, Ian Smail, Jun Toshikawa, Hideki Umehata, Yiping Ao, Scott Chapman, David L. Clements, Myungshin Im, Yipeng Jing, Toshihiro Kawaguchi, Chien-Hsiu Lee, Minju M. Lee, Lihwai Lin, Yoshiki Matsuoka, Murilo Marinello, Tohru Nagao, Masato Onodera, Sune Toft, Wei-Hao Wang, “SILVERRUSH. VIII. Spectroscopic Identifications of Early Large Scale Structures with Protoclusters Over 200 Mpc at z~6-7: Strong Associations of Dusty Star-Forming Galaxies”)本研究由日本文部科學省的世界頂級研究據點計畫科學研究補助金 (計畫編號: 15H02064, 15H03645, 16J03329, 17H01110, and 17H01114).，以及台灣科技部自然司、國立清華大學天文所等支持贊助。

圖1：本研究中發現的最遠原星系團(z66OD)的彩色合成圖。呈現了Subaru望遠鏡三個濾鏡圖像的組合。藍色區域是z66OD原星系團，放大圖中的紅色物體是z66OD中的12個星系。

圖2 ：本項研究中獲得的星系三維地圖。黑點表示星系的位置，越藍表示密度越高。紅色箭頭表示本研究中發現的最遠的原星系團。向上軸對表示距離我們的距離，前向和右向軸分別對應於上升和下降。