ALMA发现了迄今为止最遥远的类银河系星系

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天文学家利用和欧洲南方天文台（ESO）合作的阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列望远镜（ALMA），发现了一个非常遥远、也因此非常年轻的星系，该星系看起来和我们的银河系十分相似。这个星系距离地球非常遥远，总距离超过了120亿光年，所以我们看到的是它在宇宙只有14亿年历史时的样子。出人意料的是，它还十分稳定，这与早期宇宙中所有星系都是动荡的和不稳定的理论相矛盾。这一意外的发现让科学家们不得不重新思考星系的形成方式，也使得我们对宇宙的过去有了新的认识。
12 August 2020

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天文学家利用ALMA发现了一个非常遥远而惊人地相似于银河系的星系——SPT0418-47。通过引力透镜放大，这个星系看起来像是一个完美的光环。
Credit:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Rizzo et al.

德国马克斯-普朗克天体物理学研究所（Max Planck Institute for Astrophysics）的博士生Francesca Rizzo表示："这一发现代表了星系形成领域的一个突破，表明我们在附近的螺旋星系和我们的银河系中观察到的结构在120亿年前就已经存在了。"他主导了今天（指ESO原文发布的日子）发表在《自然》杂志上的一项相关研究。虽然天文学家研究的这个名为SPT0418-47的星系似乎并没有螺旋臂，但是其至少具备了两个典型的银河系拥有的特征：一个旋转的圆盘和一个隆起，即紧紧围绕银河系中心的一大群恒星。这是第一次发现在宇宙诞生早期就存在的核球（旋涡星系的中心部分，通常为球形），这也使得SPT0418-47成为最遥远的类银河系星系。
来自荷兰格罗宁根大学卡普坦天文研究所（Kapteyn AstronomicalInstitute）的论文合著者Filippo Fraternali表示："最大的惊喜是发现这个星系实际上与附近的星系十分相似，这与之前粗略的观测结果和模型的预期相反。"在早期宇宙中，年轻的星系仍处在形成过程中，因此研究人员之前猜测它们并不稳定，缺乏像银河系这样的成熟星系的典型的清晰结构。
研究像SPT0418-47这样的遥远星系，对于我们了解星系如何形成和演化非常重要。这个星系距地球十分遥远，它的光需要120亿年才能到达地球，所以我们看到的它的样子，是其在宇宙的年龄只有现在的10%时的情况。通过研究它，我们能够回到星系刚刚开始发育的时代。
由于这些星系距离我们太远，导致其看起来很小、很微弱，即使是最强大的望远镜也很难进行细致的观测。但研究团队克服了这一障碍，他们利用附近的一个星系作为一个强大的放大镜——一种被称为引力透镜效应的现象--使ALMA能够看到关于遥远过去的空前多的细节。通过引力透镜，来自附近星系的引力拉扯使来自遥远星系的光线发生扭曲和弯曲，使光线变形并放大。

这个动画展示了来自遥远星系的光线是如何被前景星系的引力作用扭曲的，这就像一个放大了的透镜在扭曲来自遥远光源的光线，形成了特有的光环——也就是爱因斯坦环（Einstein rings）。这使得天文学家得以更细致地观测遥远的SPT0418-47（在ALMA的照片中呈现为一个金色圆环）。前景星系在ALMA的照片中不可见，因为它在观测所使用的波段上显得太黯淡了。动画中用来替代前景星系的蓝色是人工添加的。
Credit:ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)/Luis Calada (ESO)

引力透镜下的远方星系围绕在附近星系周围呈现出一个近乎完美的光环，这要归功于在观测时将它们几乎完全精准地对齐。研究小组利用一种新的计算机建模技术，从ALMA数据中重建了遥远星系的真实形状及其气体的运动。Rizzo表示："当我第一次看到SPT0418-47的重建图像时，我简直不敢相信：我们发现了一个宝藏。"

研究团队使用一种新的计算机建模技术从ALMA的数据中重构了这个遥远星系的真实形状和气体的运动。
Credit:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Rizzo et al.

"我们的发现相当令人费解；尽管SPT0418-47正在高速形成恒星——因此是一个充斥着高能过程的场所，但它却是有史以来在早期宇宙中观察到的最有序的星系盘，"同样来自马克斯-普朗克天体物理学研究所的论文合著者Simona Vegetti表示。"这一结果相当出乎意料，对我们研究星系如何演化有着重要的意义。"不过，天文学家指出，尽管SPT0418-47拥有一个圆盘和其他类似我们今天所能看到的螺旋星系的特征，但他们预计它将演化成一个与银河系截然不同的星系，最终加入椭圆星系——与螺旋星系一起存在于当今宇宙中的另一种星系——的行列。

如图所示的是SPT0418-47的气体运动情况。观测显示，SPT0418-47是一个中间有着隆起的圆盘状星系，其中的物质绕着中心运动。正在远离我们的气体呈现红色，而朝着观测者所在的方向运动的气体呈现蓝色。
Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Rizzo et al.

这一意外的发现表明，早期的宇宙可能并不像人们曾经认为的那样混乱，这一发现引发了许多问题，比如一个井然有序的星系是如何在大爆炸后这么快就形成的。这次ALMA的发现是继5月份宣布发现一个巨大的旋转盘之后，在相近距离上的新发现。由于透镜效应，SPT0418-47被看到的细节更加丰富，它除了圆盘之外，还有一个凸起，这使得它与我们现在的银河系看起来更加相似。
未来的研究，包括使用欧洲南方天文台的极大望远镜（ExtremelyLarge Telescope）的项目，将尝试去揭示这些"婴儿"圆盘星系到底有多典型，以及它们是否不像预测的那样混乱，这将为天文学家研究星系如何演化开辟新的途径。

本文来源于ESO 欧洲南方天文台
原文链接：ALMA sees most distant Milky Way look-alike - Galaxy is distorted, appearing as a ring of light in the sky
翻译：苗雨泽
校对：张子恒
责编：韩耀廷