發表在《天體物理學雜誌》上的一項新研究報告稱，由卡弗里宇宙物理與數學研究所（Kavli IPMU）領導的一個國際研究小組發現了宇宙中某些部分被加熱到與星系間氣體介質的溫度相似的最早跡象，而宇宙中的大多數原子目前都居住在那裡。

一個模擬的可視化圖描述了一個星係原簇周圍大規模加熱的情景，使用的是超級計算機模擬的數據。這被認為是與在COSTCO-I原生星團中觀察到的情況類似。圖片中心的黃色區域代表一個巨大的、熱的氣體團，橫跨幾百萬光年。藍色表示較冷的氣體，它位於原生星團的外部區域，以及連接熱氣體和其他結構的絲狀物。圖像中的白點，即嵌入氣體分佈中的白點，是由恆星發出的光。資料來源：THREE HUNDRED合作組織

宇宙中所有原子的絕大部分- 大約90%可以在填補可見星系之間空間的星系間氣體中找到。這種星系間介質目前處於高溫和復雜的狀態，溫度從10萬攝氏度到1000多萬攝氏度不等，被研究人員稱為”暖熱星系間介質”（WHIM）。

然而，在100多億年前，當宇宙中的星係處於形成恆星的高峰期時，大多數星系間介質存在於相對較冷的溫度，低於1萬攝氏度，創造了一個更可預測和穩定的階段。

由Kavli IPMU研究生Chenze Dong和項目助理教授Khee-Gan Lee領導的一個國際研究小組已經確定，在宇宙只有30億年曆史的時候，宇宙中最遠的一片區域被加熱到更具有今天WHIM的溫度。這個區域是一個被稱為”COSTCO-I”的巨大星系聚合體，一個總質量超過太陽質量400萬億倍的星係原簇，橫跨幾百萬光年，也是由Lee和Kavli IPMU的一個研究小組在2022年發現的。

該圖比較了在COSTCO-I星係原星團附近觀察到的氫氣吸收（上圖），與計算機模擬計算出的原星團存在的預期吸收進行了比較。強烈的氫氣吸收顯示為紅色，較低而弱的吸收顯示為藍色，而中間的吸收則表示為綠色或黃色。圖中的黑點表示天文學家在該地區探測到的星系。在COSTCO-I的位置（其中心在兩幅圖中都標記為恆星），天文學家發現觀察到的氫氣吸收與該時代宇宙的平均值沒有太大差別。這令人驚訝，因為人們期望在那個與觀察到的高濃度星系相對應的區域中找到跨越數百萬光年的擴展氫吸收。資料來源：Dong等人。

儘管像這樣的遙遠宇宙中的星係原生簇經常被發現，但是當他們使用夏威夷茂納凱亞的WM凱克天文台的10.3米直徑的凱克-I望遠鏡檢查覆蓋COSTCO-I的紫外線光譜時，該團隊發現了一些奇怪的現象。

通常情況下，在121.6納米的特定波長下，星係原生體的巨大質量和尺寸會投下一個巨大的陰影，這是由於與原生體氣體相關的中性氫的吸收造成的，但是在COSTCO-I的位置沒有發現吸收陰影。

“我們對這一缺失感到驚訝，因為氫氣吸收是搜索星係原生星團的常見方式之一，而COSTCO-I附近的其他原生星團確實顯示出這種吸收信號”，Dong說。

沒有中性氫跟踪原生星系團表明原生星系團中的氣體必須被加熱到可能比宇宙中那個時候的星系間介質預期的冷態高一百萬度。如果我們把今天的星系間介質看作是一個巨大的宇宙燉品，它正在沸騰和起泡，那麼COSTCO-I可能是天文學家在遙遠的過去觀察到的第一個氣泡，而當時這個鍋裡的大部分東西仍然是冷的。

WHIM的特性和起源仍然是目前天體物理學中最大的問題之一，能夠瞥見WHIM的早期加熱點之一將有助於揭示導致星系間氣體沸騰成今天的泡沫的機制。這種情況的發生有幾種可能性，但可能是由於氣體在引力塌縮過程中相互碰撞而升溫，或者巨大的射電噴流可能從原生星團內的超大質量黑洞中抽出能量。

“COSTCO-I甚至在原生星團的演化方面也很有趣。天文學家通常在星系或星系間介質中尋找原生星團，以發現它們。然而，COSTCO-I卻無法通過這些傳統方法找到。未來的PFS調查將能夠搜索到更多像COSTCO-I這樣的原生星團，並揭示它們的演化過程，”共同作者、JSPS海外研究員Rieko Momose說。

星系間介質代表著為星系提供原材料的氣體庫，而熱氣體與冷氣體的行為方式不同，它們可以很容易地流入星係並形成恆星。能夠直接研究早期宇宙中WHIM的成長，將使天文學家能夠建立起星系形成的連貫性，以及為其提供能量的氣體的生命週期。

Kavli IPMU的天文學家們目前正在大力參與為茂納凱亞島上的8.2米斯巴魯望遠鏡開發一個強大的新的多物體光譜儀，即斯巴魯主焦點光譜儀（PFS）。利用斯巴魯PFS，天文學家將能夠繪製出比目前的研究大40倍的體積，並研究數百個星係原簇的氣體特性。