远古星系是如何照亮宇宙的？包含了太多宇宙奥秘

一条龙

NASA斯皮策太空望远镜发现，宇宙中一些最早星系比预期的还要明亮。过量的光是星系释放出高得令人难以置信的电离辐射副产品。这一发现为再电离时代的成因提供了线索。再电离时代是一个重大的宇宙事件，它将宇宙从几乎不透明的状态转变为今天所见的明亮恒星景观。在一项新研究中，研究人员报告了在宇宙大爆炸后不到10亿年(或130多亿年前)，对宇宙中最早形成的一些星系观测结果。数据显示，在几个特定波长的红外光中，这些星系比科学家预期的要明亮得多。

这项研究首次对这一时期的大量星系样本证实了这一现象，表明这些并不是亮度过高的特殊情况，但即使是当时存在的普通星系，其波长也比我们今天看到的星系要亮得多。没有人确切地知道我们宇宙中的第一颗恒星是什么时候诞生的。

但有证据表明，在大爆炸之后的1亿到2亿年间，宇宙中大部分是中性的氢气，它们可能刚刚开始合并成恒星，然后开始形成第一个星系。大爆炸后大约10亿年，宇宙变成了一个闪闪发光的苍穹。另一件事也发生了变化：无处不在的中性氢气的电子在一个被称为电离的过程中被剥离了。

再电离时代（从一个充满中性氢的宇宙到充满电离氢宇宙的转变）是有据可据的。在这种全宇宙范围的转变之前，长波形式的光，如无线电波和可见光，或多或少地不受阻碍地穿过宇宙。但是较短波长的光——包括紫外光、x射线和伽玛射线——被中性氢原子阻挡住了。这些碰撞会剥离中性氢原子的电子，使其电离。但是，是什么可能产生足够的电离辐射来影响宇宙中所有氢呢？是单个恒星吗？巨型星系？如果其中之一是罪魁祸首，那么这些早期宇宙殖民者将与大多数现代恒星和星系有所不同，因为它们通常不会释放出大量的电离辐射。

这张由NASA哈勃和斯皮策太空望远镜拍摄的深视野(中心)由星系主导（包括一些非常微弱、非常遥远的星系）用红色圈起来；右下角的插图显示了在长时间观测中从其中一个星系收集到的光。图片：NASA/JPL-Caltech/ESA/Spitzer/P. Oesch/S. De Barros/I.Labbe

然而，也许完全是其他原因导致了这一事件，比如类星体——由大量围绕超大质量黑洞运行的物质提供动力，具有令人难以置信明亮中心的星系。该研究的主要作者、瑞士日内瓦大学(University of Geneva)博士后斯蒂芬·德·巴罗斯(Stephane De Barros)说：这是观测宇宙学中最大的公开问题之一，我们知道发生了什么事，但究竟是什么原因呢？这些新发现可能是一个重大线索。

寻找光

为了回溯再电离时代结束前的时间，斯皮策对天空的两个区域分别观测了200多个小时，这使得太空望远镜能够收集到经过130多亿年才到达地球的光。作为斯皮策所进行的最长的科学观测之一，它们是一项名为“伟大”(GREATS)观测活动的一部分。GOODS(它本身就是一个缩略语:Great observobservatory origin Deep Survey)是另一个对一些伟大目标进行首次观测的项目。这项发表在《皇家天文学会月刊》(Monthly notice of The Royal Astronomical Society)上的研究还使用了NASA(NASA)哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope)的存档数据。

利用斯皮策望远镜的这些超深度观测，天文学家团队观察了135个遥远的星系，发现它们在两个特定波长的红外光中都特别明亮。红外光是由电离辐射与星系内的氢和氧气体相互作用产生的。这意味着这些星系主要由年轻的大质量恒星组成，主要由氢和氦组成。与现代星系中的普通恒星相比，它们含有非常少量的“重”元素(如氮、碳和氧)。这些恒星并不是宇宙中最早形成的恒星(这些恒星只由氢和氦组成)，但它们仍然是非常早期恒星的成员。再电离的时代并不是一个瞬间的事件，因此，虽然新的结果还不足以结束对这个宇宙事件的研究。

这幅艺插图展示了宇宙中最早的星系之一可能的样子，高强度的恒星形成和恒星死亡会照亮恒星之间的空间，使星系基本上不透明，没有一个清晰的结构。图片：James Josephides (Swinburne Astronomy Productions)

但它们确实提供了关于宇宙在这个时候是如何演化的，以及这个转变是如何完成的新细节。位于加州帕萨迪纳市的NASA喷气推进实验室的斯皮策项目科学家迈克尔·沃纳(Michael Werner)说：我们没有想到斯皮策望远镜的反射镜只有呼拉圈那么大，却能看到如此接近时间黎明的星系。但自然界充满了惊喜，这些早期星系的意外亮度，加上斯皮策的卓越表现，使它们处于我们这个小型但功能强大的天文台的观测范围之内。NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜计划将于2021年发射，它将以斯皮策望远镜观测到许多相同波长来研究宇宙。

但是斯皮策望远镜的主镜直径只有85厘米(33.4英寸)，韦伯的主镜直径为6.5米(21英尺)（大约是前者的7.5倍）这使得韦伯能够更详细地研究这些星系。事实上，韦伯将尝试探测宇宙中第一批恒星和星系发出的光。这项新研究表明，由于斯皮策观测到的星系在红外波段的亮度，韦伯对它们的研究将比之前认为的更容易。日内瓦大学(University of Geneva)助理教授、该研究的合著者帕斯卡·奥施(Pascal Oesch)说：斯皮策这些结果无疑是解开宇宙再电离之谜的又一步。我们现在知道，这些早期星系的物理条件与今天的典型星系非常不同。这将是詹姆斯·韦伯太空望远镜的工作，找出其中的具体原因。

博科园｜研究/来自: 喷气推进实验室/Calla Cofield,phys

参考期刊《皇家天文学会月刊》

DOI: 10.1093/mnras/stz940

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本文选自：今日头条

yy760

每每听到的都是哈弗望远镜 一会发现这个一会发现那个 听说中国的天眼多好多好 怎么很少提起发现宇宙的各路星系？？？