關於古代星系如何照亮宇宙的新線索

關於古代星系如何照亮宇宙的新線索

美國宇航局的斯皮策太空望遠鏡發現，宇宙中一些最早的星系比預期的還要明亮。多餘的光是星系釋放出高得令人難以置信的電離輻射的副產品。這一發現為重新電離時代(Reionisation)的成因提供了線索。再電離時代是一個重大的宇宙事件，它將宇宙從幾乎不透明的狀態轉變為今天所見的明亮的恆星景觀。

研究人員報告了在宇宙大爆炸後不到10億年(或130多億年前)，一些最早形成的星系的觀測結果。數據顯示，在幾個特定波長的紅外光中，這些星系比科學家預期的要明亮得多。這項研究首次對這一時期的大量星系樣本證實了這一現象，表明這些並不是亮度過高的特殊情況，但即使是當時存在的普通星系，其波長也比我們今天看到的星系要亮得多。

沒有人確切地知道我們宇宙中的第一顆恆星是什麼時候爆發出來的。但有證據表明，在大爆炸之後的1億到2億年間，宇宙中大部分是中性的氫氣，它們可能剛剛開始合併成恆星，然後開始形成第一個星系。大爆炸後大約10億年，宇宙變成了一個閃閃發光的蒼穹。另一件事也發生了變化:無處不在的中性氫氣的電子在一個被稱為電離的過程中被剝離了。再電離時代——從一個充滿中性氫的宇宙到充滿電離氫的宇宙的轉變——是有據可據的。

在這種全宇宙範圍的轉變之前，長波形式的光，如無線電波和可見光，或多或少地不受阻礙地穿過宇宙。但是較短波長的光——包括紫外光、x射線和伽瑪射線——被中性氫原子阻擋住了。這些碰撞會剝離中性氫原子的電子，使其電離。

但是，是什麼可能產生足夠的電離輻射來影響宇宙中所有的氫呢?是單個恆星嗎?巨型星系?如果這兩者都是罪魁禍首，那麼這些早期的宇宙殖民者將與大多數現代恆星和星系有所不同，因為現代恆星和星系通常不會釋放大量電離輻射。不過，也許完全是其他原因造成了這一事件，比如類星體——由大量圍繞超大質量黑洞旋轉的物質提供動力的星系，其中心亮得令人難以置信。

為了回溯到再電離時代結束之前的時間，斯皮策對天空的兩個區域進行了200多個小時的觀測，使得太空望遠鏡能夠收集到130多億年前到達地球的光。作為史匹哲所進行的最長的科學觀測之一，它們是一項名為「偉大」(GREATS)的觀測活動的一部分。GOODS(它本身就是一個縮略語:Great observobservatory origin Deep Survey)是另一個對一些偉大目標進行首次觀測的項目。這項研究還使用了美國宇航局/歐洲航天局哈勃太空望遠鏡的檔案數據。

利用斯皮策望遠鏡的這些超深度觀測，天文學家團隊觀察了135個遙遠的星系，發現它們在兩個特定波長的紅外光中都特別明亮。紅外光是由電離輻射與星系內的氫和氧氣體相互作用產生的。這意味著這些星系主要由年輕的大質量恆星組成，主要由氫和氦組成。與現代星系中的普通恆星相比，它們含有非常少量的「重」元素(如氮、碳和氧)。

這些恆星並不是宇宙中最早形成的恆星(這些恆星只由氫和氦組成)，但它們仍然是非常早期恆星的成員。重新電離的時代並不是一個瞬間的事件，因此，雖然新的結果還不足以結束對這個宇宙事件的研究，但它們確實提供了關於宇宙在這個時候是如何進化的，以及轉變是如何完成的新細節。「我們沒有想到斯皮策望遠鏡的反射鏡只有呼拉圈那麼大，卻能看到如此接近時間黎明的星系，」位於加州帕薩迪納市的美國宇航局噴氣推進實驗室的斯皮策項目科學家邁克爾·沃納(Michael Werner)說。「但自然界充滿了驚喜，這些早期星系的意外亮度，加上斯皮策的卓越表現，使它們處於我們這個小型但功能強大的天文台的觀測範圍之內。」

NASA / CSA / ESA詹姆斯韋伯太空望遠鏡將於2021年發射，它將以斯皮策望遠鏡觀測到的許多相同波長來研究宇宙。但是斯皮策望遠鏡的主鏡直徑只有85厘米，韋伯的主鏡直徑為6.5米——大約是前者的7.5倍——這使得韋伯能夠更詳細地研究這些星系。事實上，韋伯將嘗試探測宇宙中第一批恆星和星系發出的光。這項新的研究表明，由於斯皮策觀測到的星系在紅外波段的亮度，韋伯對它們的研究將比之前認為的更容易。

「斯皮策的這些結果無疑是解開宇宙再電離之謎的又一步，」日內瓦大學(University of Geneva)助理教授、該研究的合著者帕斯卡?奧施(Pascal Oesch)表示。「我們現在知道，這些早期星系的物理條件與今天的典型星系非常不同。這將是詹姆斯韋伯太空望遠鏡的工作，找出具體的原因。

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