古老的星系是如何点亮宇宙的?

[ 录入者:Melipal | 时间:2019-05-24 21:37:23 | 作者:Melipal 译 | 来源:NASA | 浏览:2618次 ]

原文标题:New Clues About How Ancient Galaxies Lit up the Universe

作者:Calla Cofield   原文来自:NASA   Posted: 2019. 5. 8

编译:Melipal   审校:Linq

使用NASA哈勃空间望远镜的天文学家宣称,在揭示由两种关键方法测得的宇宙膨胀速率之间的矛盾的过程中,他们已经越过了一个关键的门槛。新近的研究加强了这样一种观点,也就是说为了解释塑造宇宙的作用力,我们可能需要新的理论。

这张使用NASA的哈勃与斯皮策空间望远镜拍摄的深场照片(中央)由红色圆圈标出的星系占主导,其中包括一些非常暗淡、遥远的星系。右下方的插图展示了在一次长时间观测期间从一个星系采集而来的光线。大图与说明文字请点击 图片提供:NASA/JPL-Caltech/ESA/Spitzer/P. Oesch/S. De Barros/I.Labbe

NASA的斯皮策空间望远镜揭示出,宇宙中最早的一些星系较预期更加明亮。超出的辐射是星系释放数量惊人的电离辐射期间的副产品。这一发现为再电离时代提供了线索。这一时期是让宇宙从基本不透明状态转变为如今所见的繁星灿烂期间的重大宇宙事件。

一项新的研究中,研究者报告了对宇宙中最古老的一些星系的观测。它们出现于大爆炸不到10亿年之后(距今130亿年多一点)。数据展示的是红外光的某个特定波段,这些星系的亮度要比科学家的预期高很多。这一研究率先在该时期的大样本星系中证实了这一现象的存在,说明超出的亮度并非个例。实际上,同时期普通的星系在此波段的亮度也要比当代星系高很多。

没有人确切地知道宇宙中的第一代恒星何时登场。但有证据表明,在大爆炸1到2亿年间,宇宙中充斥的物质主要是中性氢,这些气体可能刚刚开始凝聚为恒星,随后这些恒星凯是形成第一代星系。在大爆炸后大约10亿年,宇宙开始变得群星闪耀。其他东西也发生了变化:无处不在的中性氢气体中的电子在电离过程中被剥离。再电离时代——从中性氢充斥的宇宙变为电离氢弥漫的太空——被完整地记录了下来。

在宇宙尺度的转变发生之钱,长波辐射(如射电和可见光)在宇宙中已然可以多少不受阻碍地穿行了。但紫外线、X射线和伽玛射线这些短波辐射会被中性氢原子阻拦。如此的碰撞过程会将中性氢原子的电子剥离掉,让原子电离。

这张艺术概念图展示了宇宙中最早的一批星系可能的模样。剧烈的恒星形成活动与恒星的死亡将照彻充斥在星际空间中的气体,让星系在很大程度上显得不透明,不具备明晰的结构。图片提供:James Josephides (Swinburne Astronomy Productions)

但究竟是什么东西产生了足以影响宇宙中全部氢元素的电离辐射呢?是单颗恒星?巨型星系?如果这两类天体都是罪魁,那么这些早期宇宙中的殖民者与当代并不能释放大量电离辐射的大多数恒星和星系都不同。又或者说,也许完全不同的其他东西(如类星体,也就是具有超亮核心的星系,由环绕特大质量黑洞运行的海量物质驱动)导致了这一事件的发生。

研究论文的第一作者、来自瑞士日内瓦大学的博士后斯特凡·德·巴罗斯(Stephane De Barros)说:“这是观测宇宙学最重要的开放问题之一。我们知道事件何时发生,但是是什么原因导致了这一事件?新的发现将为我们提供重要的线索。”

寻找光线

为了窥探再电离结束不久的年代,斯皮策各花费200小时瞄准了天空中的两处区域进行观测,这样这架空间望远镜得以采集到传播130余亿年才抵达地球的光线。

这些观测是GREATS(斯皮策GOODS再电离时代宽视场奇珍的缩写,而GOODS本身又是大天文台起源深度巡天的缩写)计划的一部分,也是斯皮策迄今进行过的最长科学观测之一。GOODS是另一项计划,它的目的是为GREATS的部分目标进行先期观测。这项研究的结果发表在《英国皇家天文学会月刊》上,还使用了NASA哈勃空间望远镜的存档数据。

借助斯皮策进行的这些超长时间曝光,天文学家小组观测了135个遥远的星系,并发现它们在两个特定的红外波段上都非常明亮。这样的红外线是由电离辐射同星系中的氢和氧气体相互作用而产生的。这意味着,这些星系由主要由氢、氦元素组称的年轻大质量恒星主导。与当代普通星系的成员恒星相比,它们含有的“重”元素(如氮、碳和氧)数量非常少。

这些恒星并不是宇宙中诞生的第一代恒星(只由氢和氦组成),但仍旧属于非常早期的恒星之列。再电离时代并不是瞬是发生的,有那次虽然新的结果并不足以敲定这一事件,但也能提供新的细节,说明宇宙随时间推移是如何演化的,还有就是转变是如何发生的。

来自加州帕萨迪那(Pasadena)NASA喷气推进实验室的斯皮策任务科学家迈克尔·维纳(Michael Werner)说:“我们没有料到反射面还不如呼拉圈大小的斯皮策望远镜可以观测到如此接近黎明期的星系。但是自然界本身充满了意外,这些早期星系意料之外的亮度再加上斯皮策绝佳的表先让它们落入了我们小而强有力的望远镜的掌控之中。”

预计于2021年发射的NASA詹姆斯·韦布空间望远镜将在多个于斯皮策重叠的波段上观测宇宙。不过斯皮策的主镜直径只有85厘米(33.4英寸),韦布的主镜却是6.5米(21英尺)——这大约相当于前者的7.5倍,因此韦布可以以多得多的细节对这些星系开展研究。韦布将尝试探测源于宇宙中第一代恒星和星系的辐射。新的研究表明,考虑其红外波段的亮度,使用韦布来研究斯皮策看到的这些星系会较先前的预期更加轻松。

研究合作者、日内瓦大学的助理教授帕斯卡·厄施(Pascal Oesch)说:“斯皮策的结果是迈向揭秘宇宙再电离过程中的又一大步。我们现在知道,这些早期星系中的物理条件与当代典型星系差异极大。找寻这其中的详细原因将是詹姆斯·韦布望远镜的任务。”

喷气推进实验室为华盛顿的NASA科学任务理事会管理着斯皮策太空望远镜。科研运转是在帕萨迪那的加州理工学院斯必泽科学中心完成的。望远镜控制是在科罗拉多州利特尔顿(Littleton)的洛克希德—马丁航天系统公司完成的。望远镜的数据由加州理工学院红外数据处理分析中心的红外科学档案馆存档。加州理工学院为NASA管理着JPL。更多关于斯皮策望远镜的信息请访问:www.nasa.gov/spitzerwww.spitzer.caltech.edu/

(全文完)

Tags:宇宙再电离 早期星系

责任编辑:Melipal

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