星系团是宇宙中最大的引力束缚系统，形成于宇宙物质网络节点处的大尺度致密结构中。其形成与演化可以同时检验结构形成和星系形成理论模型。研究宇宙恒星形成最剧烈的时期（红移z=2-3）的大质量原星系团和成员星系的性质，是理解星系形成与结构形成关联的关键，也是当前河外天文领域前沿研究的热点之一。然而，迄今已发现证认的z=2-3大质量原星系团屈指可数，超大质量的原星系团则更为稀少。

　　紫金山天文台与清华大学和亚利桑那大学等组成的合作团队，利用同一区域多个类星体光谱中记录的同一红移莱曼阿尔法（Lya）吸收群探测方法，并基于近红外Ks宽带和H2S(1)窄带深度图像观测，成功遴选并证认出两个z=2.24处的很可能孕育着原星系团的超大质量的致密结构BOSS1244和BOSS1542。

　　判断一个结构是否原星系团首先看它的密度因子，即在给定尺度范围内某类天体面密度超出同类天体宇宙平均值的倍数。合作团队分析发现这两个结构在32 Mpc（约为1亿光年）投影平面尺度上的密度因子分别达到5.6和4.9，远超出原星系团的预期平均值（在大于约20 Mpc的尺度上约为2），属于数目稀少的超大质量的致密结构，孕育原星系团。

　　合作团队在这两个候选结构中分别证认出244和223个发射线天体，其中Hα发射线星系（HAE，约占80%）所示踪的密度结构揭示：BOSS1244的子结构中右下方致密子结构的密度因子超过20；BOSS1542是迄今发现的首例z>2、延展尺度达50Mpc的巨型纤维状结构（图1）。Hα光度函数的分析表明，BOSS1542中星系恒星形成或AGN活动更剧烈。这一成果由郑宪忠研究员领衔发表于Monthly Notices of the Royal Astronomical Society。

图1. 致密结构BOSS1244（左）和BOSS1542（右）中Hα发射线星系密度分布 (Zheng et al. 2021)。

　　利用大型望远镜MMT和LBT对这两个超大质量致密结构的后随研究成果，也于7月1日由紫金山天文台师冬冬博士领衔在线发表于The Astrophysical Journal。通过对所获得的82个Hα发射线星系近红外光谱的分析发现：BOSS1244在红移和空间分布呈现三个子结构，且其中右下区域的两个红移空间子结构在投影平面重叠，它们很有可能正在并合形成更大的系统；BOSS1542则呈现出单个运动学组分的大尺度纤维状结构，且速度弥散非常低，这为宇宙物质网络的形成和增长提供了直接观测证据（图2）。该研究还明确揭示BOSS1244和BOSS1542中致密区域的密度因子大于20，是迄今已知最致密的z>2超大质量原星系团。

　　这两个超大质量致密结构形态不同，恒星形成活跃，表明它们处于宇宙早期原星系团的快速增长演化阶段。发现更多的这类原星系团，并开展大尺度致密结构的性质分布的统计研究，将成为探究结构形成和星系形成演化之间物理关联的关键。

图2. BOSS1244（上）和BOSS1542（下）获得光谱证认的成员星系在密度结构中的分布（左）和在红移空间的分布（右）。不同颜色表示的是光谱证认出的成员星系的红移(Shi et al. 2021)。

　　研究工作得到了国家自然科学基金项目、科技部重点研发专项和中国留学基金委项目的资助。

　　论文全文链接:

　　Zheng et al. 2021: https://doi.org/10.1093/mnras/staa2882

　　Shi et al. 2021: https://doi.org/10.3847/1538-4357/abfec0