目击远古星系的影子

[ 录入者:Melipal | 时间:2016-02-04 12:38:59 | 作者:Melipal 译 | 来源:Sky & Telescope | 浏览:1576次 ]

原文标题:Seeing Shadows of Ancient Galaxies

作者:Shannon Hall   原文来自:SkyandTelescope.com   Posted: 2016. 1. 18

编译:Melipal   审校:Linq (编译版权所有,文章有删节,未经许可请勿转载。)

一项新的技术让天文学家在宇宙学距离上测量到了几乎不可见的气态氢云。

大半个宇宙遮掩在视线之外。世界上最好的望远镜都不能分辨出在太阳系外围运行的岩石小行星、环绕遥远恒星运行的系外行星,或是在早期宇宙中形成的星系。相反,科学研究经常是通过侧影进行的。只有当这些难以捉摸的天体偶然从另一个更遥远的辐射源前方通过时,天文学家才能通过它们投下的阴影来发现它们。

一项新的研究改进了这一方法,为所谓的阻尼莱曼α系统带来了光明。这些系统是早期宇宙中的巨型气体云,主要由氢组成。在佛罗里达州基西米市(Kissimmee)召开的美国天文学会会议上,来自澳大利亚斯温伯恩(Swinburne)理工学院的杰夫·库克(Jeff Cooke)与圣米切尔学院的约翰·奥马拉(John O’Meara)报告称,他们发现,一个这样的云团宽度相当于银河系的3倍。

艺术家笔下天文学家通过比较背景星系(较宽的红色光锥)相对背景类星体(较窄的蓝白色光束)的大小,来测量气体云的尺度。图片提供:Adrian Malec (Swinburne University) / Marie Martig (Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg)

由于中性氢不会发出任何辐射,阻尼莱曼α系统是臭名昭著的难以直接探测。相反,天文学家使用了一种简单的把戏:他们捕获云团的阴影。遥远类星体(一类极为明亮的星系核,拥有吞噬气体和尘埃的特大质量黑洞)向使用其他方法看不到的气体发出了一道探照灯光。分布在类星体和地球之间的氢原子会吸收类星体辐射中某些特定波长的成分。在地球上接收到类星体光谱中,可见氢云留下的暗色吸收线。

吸收线的形态和深度可以给出中介云团的一些信息。举例来说,现在天文学家知道,早期云团中气体氢的总量与大多数当代星系星际介质中的差不多。因此它们是早期宇宙中星系内产星区的优良媒介。对这些云团的详细测量因此就可以为星系的形成和演化提供线索。

云团有多大?

到现在为止,天文学家已经使用类星体辐射中的吸收线研究了数千个阻尼莱曼α系统。但是这一方法存在一个缺陷。由于类星体本身是非常小的天体,宽度只有几光年,天文学家只能研究阻尼莱曼α系统的很小一个区域。库克将这个问题比作使用一支激光笔的光束来照亮一座庞大的大学校园。你可能只能看到一片草叶,或是一窄片水泥屋顶。

奥马拉说:“40年来,我们使用这一方法来了解早期星系中的气体,但是我们却漏掉了两个非常重要的基本信息”——云团的尺度和质量。“这真让人尴尬。”因此,天文学家并不清楚这些系统究竟是一个星系之内的小型云团,还是星系际介质中的大型云团,可以形成一个星系。

因此库克与奥马拉决定转而去搜索一个背景星系。较大的背景光源可以照亮中介云团大得多(如果不是全部的话)的区域,并揭示出空前的细节。遥远的星系通常过于暗淡,无法充当探照灯使用。但是当不久的将来更大的望远镜落成后,这一技术就可行了。

这张简单的卡通图说明了天文学家使用类星体(图a与c)和星系(图b与d)来研究阻尼莱曼α系统(DLA)时所见的情况。只有通过使用背景星系,才能查明云团的尺度。图片提供:Jeff Cooke

远古星系的影子

作为概念论证,库克与奥马拉使用凯克天文台的两架10米望远镜以及甚大望远镜的4架8.2米子镜在54个明亮星系中搜索了阻尼莱曼α系统的线索。其中一个名为VVDS 910298177的星系(它存在时,宇宙的年龄只有30亿年)明显具有阻尼莱曼α系统的迹象。在整个背景星系上,吸收线的强度一路落至0,这意味着前方的巨型云团必然遮掩了整个星系。这样这个云团的尺度至少就是银河系的3倍——这要比天文学家根据一个背景类星体所能作出的猜测大多了。

奥马拉说:“因此我们做的事情就是,让我们了解一个天体尺度的能力增加了大约1亿倍,这着实很酷。”

这一发现可能能够帮助解答此类早期云团所处位置的谜题。库克说:“我们所发现的阻尼莱曼α系统看上去本质上是星系际介质中‘独立’的云团。”它们体积非常庞大,它们“可能将形成完整的成熟星系,就像是银河系这样的当代旋涡星系一样。”

来自威斯康星大学密尔沃基(Milwaukee)分校的道恩·埃尔布(Dawn Erb)并未参与此项研究。她认为,这一方法将是对她从事工作的有用补充。埃尔布研究的是类似宇宙学距离上的星系,但是她观测的并不是它们的吸收线,而是它们所发射的光线。她说,通过研究这些星系的发射和吸收线,天文学家可以对它们的整体形态得到更好的认识。

这项新的技术为30米望远镜时代带来了很多前景。奥马拉说:“这些建设中的巨型机器将成千上万次地使用这一方法。”它们所能做的事情也比库克和奥马拉使用甚大望远镜在18个小时内做到的多得多。首先在宇宙中星系的数量要比类星体多得多,因此库克说,很快天文学家就可以“测绘出整个宇宙中全部气体的三维分布了”。

参考文献:杰夫·库克与约翰·奥马拉,《对阻尼莱曼α系统物理本质的新限制》,《天体物理学报通信》,2015年10月15日。

(全文完)

Tags:星系 阻尼 莱曼α系统

责任编辑:Melipal

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