借助于自然界中的望远镜来定位早期星系

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借助于自然界中的望远镜来定位早期星系
                               
                               



所谓的引力透镜可以极大地提高哈勃望远镜的观测能力。（图片来源：Credit: NASA Wikimedia）

我的研究工作致力于寻找宇宙中第一个形成的星系。在过去的十年中，我们已经进入了精确宇宙学时代，我的宇宙学家同事能以小数级别的精度描述宇宙的年龄和组成成分。尽管这些进展非常惊人，我们仍然不知道第一个星系是何时形成的。为了直接观测这些星系，我们需要一个巨大的太空望远镜，它比即将发射的James Webb太空望远镜还要大上几倍（至少我们是这样认为的；现在我们只能遵从于理论模型仿真）。
然而，这些星系影响着其周围我们能看见的宇宙。从这些早期星系中发出的高能辐射会加热星系间的气体，这个过程被称为再电离（切断氢原子的质子和电子之间的电磁连接）。我们知道宇宙中曾经发生过再电离，因为观察到星系间的气体现在处于电离状态，并且是大爆炸后十亿年时就已经被电离。如果我们对再电离的过程进行研究，追溯其起始时间，那么我们就可以在没有直接观察的情况下知道第一个星系是何时出现在宇宙中的。
天体物理学家普遍认为，星系内的恒星队列提供所有再电离所需的光子，但这基于一些关键而未经验证的假设。如果这些假设是不正确的，那么再电离过程就需要一些其它来自外部的光子，如早期形成的超大质量黑洞，甚至是暗物质的自我湮灭。要验证是否有足够多的星系来完成再电离似乎比较简单——只需把星系加起来！
而相加之后，我们发现现有星系似乎达不到完成再电离所需的能量。然而，我们需要考虑到我们的观测限制，哈勃太空望远镜所能观测到的最深处的星系亮度为银河系的1/20（也就是130亿年前形成的星系）。是星系的亮度低于哈勃望远镜的限制吗？逻辑上来说是的，当星系的亮度低于哈勃望远镜的观测限制时，它们就“消失了”，对早期宇宙的仿真支持这一观点。也就是，暗淡的星系应该是存在的。
有趣的是，当我们观测可以观察到的星系时发现，随着对宇宙观测的深入，早期星系发出的总光亮中大部分来自于我们所能看到的最暗淡的星系。如果暗淡星系的丰度不断增加甚至超过哈勃望远镜的限制，就可以解释再电离所需的光子数量不足的原因。通过对再电离的研究发现，如果由星系提供所有需要的光子，星系的丰度就要越来越高，而其光度则比这个时代哈勃望远镜所能观测的还要暗淡100倍。由于哈勃望远镜对于直接观测这些星系灵敏度不足，通常假设这些非常暗淡的星系是大量存在的，但直到现在也从未被验证。
当受到望远镜大小的限制时，我们常常利用自然界中的放大镜——引力透镜，即：大的集中质量会使时空弯曲并放大更远处的星系。这个现象最初是由爱因斯坦预言，并于40年前首次被观测到的。宇宙中大部分为空旷的空间，这么大的集中质量，如巨型星系团，其总质量接近太阳的1千万亿倍（即10的15次方）。如果一个遥远的星系碰巧躲在其中一个这样的怪物身后，它的光可以被几到几百倍的因子放大，因此我们能看到的星系可能比以前的更暗淡。
这一现象以及再电离过程的不确定性，致使哈勃太空望远镜着手于有史以来最大的项目——哈勃边疆场（Hubble Frontier Fields）。该计划几百小时连续不断地观测天空周边的六个星系团，这把哈勃望远镜的能力推向了极限。我们的目标是利用引力透镜来弥补先前的观测和理论上认为再电离所需要的光度上相差的100倍因子。这项计划于去年年底完成，并取得了巨大的成功，研究人员利用其公布的数据已经发表了几十篇论文。
与此相关，上个月由我和德克萨斯大学奥斯汀分校的天文学家Rachael Livermore博士与太空望远镜科学研究所的Jennifer Lotz博士合作发表的一篇论文中，发现边疆场计划中观测到的最暗淡的星系要比以前不用透镜时观测到的暗淡100倍（同时令人惊讶的是，它比银河系暗淡1500倍！）。重要的是，这些非常暗淡的星系的丰度计算结果恰好与利用哈勃望远镜以前的观测值进行推测的结果相同。因此就可以结题了！
然而，科学研究常常是这样，这些观测结果又引出了更多的问题。很多的模型曾经预测，在光度极其暗淡的情况下，星系的丰度应该开始下降，但并没有观测到这个现象。此外，我们看到的这些非常暗淡的星系的数量比较小，因此结果存在不确定性。虽然我们可能已经把哈勃望远镜的能力推向了极限，甚至借助了透镜的力量，但是James Webb太空望远镜（将于2018年10月发射）的聚光能力是哈勃望远镜的七倍。结合自然界中的望远镜，这个令人兴奋的设备将有能力更加深入地观测遥远的宇宙，告诉我们在黑暗的尽头是否有更多的奥秘在等待着我们。

本文观点仅代表作者，不代表《科学美国人》。
（翻译：么宇辉；审校：杨玉洁）
文章来源[SCIENTIFIC AMERICAN]：
https://blogs.scientificamerican.com/guest-blog/using-natures-telescopes-to-locate-the-earliest-galaxies/#userconsent#