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寻找宇宙中的第一缕星光

时间: 2020年01月10日 | 作者: Admin | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
多年来,天文学家一直渴望知道,照亮黑暗时期的第一批恒星和星系是何时以及如何形成的。


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○ 宇宙简史。在复合时期后,宇宙进入了一片漆黑的黑暗时期(The Dark Age),直到第一束星光点亮宇宙。| 图片来源:NAOJ


大爆炸后,宇宙中还没有形成恒星、星系和生命,而是充满了辐射和物质。大约在40万年后,宇宙进入了所谓的“黑暗时期”。这个时期中的宇宙缺乏光亮,遍布着中性的氢原子、氦原子,以及无法看见的暗物质。


在一项新的研究中,天文学家对一个星系团的观测表明,恒星的形成发生在大爆炸后的3.7亿年。新的结果于2020年1月1日发表在《自然》杂志上,为宇宙中第一批恒星和星系的出现时间和地点提供了关键细节。


一个星系团是由成千上万个星系组成的,这些星系会以大约每秒1000公里的速度相互环绕。除了可以看见的物质外,暗物质在星系团中也扮演着重要角色。早在上个世纪30年代时,天文学家就发现,星系团中应当包含着大量看不见的暗物质提供了额外的引力,否则星系团应该早就分崩离析了。天文学家会通过研究这些星系团来进行许多天体物理学中的实验,例如测量宇宙的成分,检验广义相对论和其他的引力理论,以及确定星系是如何形成的。


在新的研究中,为了获得星系团首次形成恒星的准确时间,研究人员借助哈勃太空望远镜寻找他们所能找到的最遥远的星系团,他们将目标锁定在了其中一个星系团——XLSSC 122。与XLSSC 122相比,像后发星系团等离我们较近的星系团其实更容易被观测,但我们无法精确地测得它们的年龄,因为那些星系都非常古老。例如,我们很难区分一个70亿年的星系和一个130亿年的星系。


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○ 后发星系团。| 图片来源:Russ Carroll et al. / Dan Zowada Memorial Observatory, Wayne State Univ.


星系团XLSSC 122所发出的光在到达地球之前已经传播了104亿年,这意味着我们所看到的是星系团在大爆炸33亿年之后的样子。XLSSC 122就好比是一扇窗,一扇能够使我们窥视到早期宇宙面貌的窗。


研究人员发现,XLSSC 122包含了几个有着相似红色的星系。星系的颜色透露了它们的年龄,那些偏蓝的星系要比偏红的星系更年轻。所以说,那些红色的星系在很久以前就形成了恒星。通过将观测到的星系团颜色与模型对比,他们分析出这些星系中的恒星在宇宙只有3.7亿年时就开始出现了。


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○ 遥远星系团XLSSC 122。| 图片来源:J. P. Willis et al


特别有趣的一点是,研究人员在这个星系团中发现了至少19个颜色相似的星系,这意味着它们有着相似的年龄。当恒星在这些星系中形成时,它们应该已经彼此远离了,所以由此产生一个问题,那就是为什么这些星系会在几乎同一时间开始产生恒星。它们是否受到了环境的影响?又或者说,是否是一个星系中的恒星形成以某种方式引发了连锁反应,从而导致了恒星在附近气体云中形成?


研究人员还不清楚这些问题的答案。但从新的研究中,我们可以清楚地看到,这些遥远的星系团充满了宇宙中最古老的星系。


然而,需要注意的是,根据星系的颜色来确定年龄并不是一种特别精确的方法,它存在很大的不确定性。例如,如果一个年轻的星系中含有大量的尘埃,那么它的颜色或许会与一个古老的但只含有少量尘埃的星系颜色相同。因此,尽管研究结果看起来非常有趣,但在詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)升空之前,我们对于这样的结果或许仍然应该保持谨慎的态度。


当JWST投入运行之后,它将测量这些星系发出的光谱。通过将光谱与模型进行比较所得出的结果,将比通过比较星系的颜色能更准确地确定恒星的年龄。这项新研究也表明,这些遥远的星系团应当成为JWST优先观测的目标。


参考来源:

https://www.nature.com/articles/d41586-019-03893-7

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1829-4