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这些古老的庞然大物,填补了宇宙演化史的一大空白

谦太祥和 发布于: 2019年8月9日 0时3分36秒 阅读839次

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  最近,宇宙演化史上的一个巨大空白终于被天文学家填补上了。利用多台望远镜,他们惊喜地发现了一个隐藏的大型星系群。宇宙从诞生至今已经有 138 亿的历史,而这些大型星系却在 118 亿年之前就已经存在了。这是天文学家第一次证实,在宇宙生命周期的头 20 亿年时间里有如此庞大的星系群,它们的存在与超大质量黑洞暗物质的分布密切相关。


新发现的古老星系的艺术构想图。 图片来源:NAOJ

  这是前所未有的发现,其数量之多与目前对宇宙那段时期的演化模型相悖。然而,为何我们直到现在才发现如此庞然大物呢?这是因为,这些星系发出的光极其微弱,哈勃太空望远镜对它们也束手无策。研究人员将新的发现发表在了最近的《自然》杂志上,它表明,或许有 90% 的大型星系都被我们错过了。这样的结论无疑将激发大量的进一步研究。

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  对天文学家来说,要证明天空中一个极其微弱的光点实际上是一个遥远的星系绝非易事。他们需要使用一些技巧,比如一种依赖于星系发出的光谱的技巧。

  我们知道,恒星会放出非常丰富的光,但形成了恒星的氢气所吸收的波长要短于紫外线波段的一些特定部分,因此形成一个独特的截止(cutoff)光谱。在光线抵达观测者之前,光线会因为宇宙的膨胀而被拉到更长的波长,从而造成红移。这样一来,截止光就会被推移到光谱中别的位置,比如被推到可见光波段或近红外光波段。通过寻找这种特征,哈勃太空望远镜已经发现了数百个当宇宙诞生还不到 20 亿年时就放出光芒的星系。

  不过,这项技术存在一个问题,它可以对更小、更年轻的星系非常敏感,但是对更大、更老的星系却往往视而不见。其中一个原因是,较大的星系往往被尘埃所笼罩,因此与较小的星系相比,它们反而更加模糊。

  而且这些早期的更大、更成熟的星系含有更多的超新星,超新星爆炸所产生的尘埃会吸收大部分的紫外线,从而会抹去这种光谱截止。可以说,早期的大质量星系在可见光波段上对地球上的观测者来说是不可见的。

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  在新的研究中,他们找到了一种能将尘埃这个宿敌变成盟友的方法,从而发现那些失踪星系的踪迹。吸收星光的尘埃一定会升温并辐射出更长的红外波长,而这正是研究人员可以寻找的迹象。

  他们将研究的范围限制在哈勃望远镜曾以极高的灵敏度拍摄过的三块小小的天空区域,然后利用斯皮策太空望远镜,在中红外波段对这些区域进行扫描。

  斯皮策发现了 63 个候选星系,这就是这些来自东京大学的天文学家最早开始怀疑这些星系存在的依据。


ALMA 的部分天线阵列。 图片来源:Kohno et al.

  但是,斯皮策的缺点是它缺乏足够高的空间分辨率来对这些星系进行确认。因此,他们又转向了位于智利北部沙漠中的ALMA(阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列望远镜)的 66 个天线阵列。他们认为,亚毫米波段是观察早期宇宙尘埃的最佳波段,因此推断 ALMA 将会是观测这类天体的最理想设备。

  他们利用 ALMA 在较长的远红外光波下对每一个候选星系进行了分析研究,最终证实了 39 个候选星系。通过与之前已经拍摄的照片对比,他们也证实了哈勃望远镜是看不到这些古老星系的,因此,他们将这些星系归类为“H-dropout”,意思是“被哈勃遗漏的信号”。


ALMA 能看到的古老星系(右),而哈勃太空望远镜却无法看到(左)。 图片来源:Wang et al.

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  天文学家感兴趣于研究这 39 个星系如何有别于我们的银河系。从 ALMA 和其他望远镜收集的数据来看,新发现的这些巨大星系平均约为 1 万亿个太阳质量。如果我们的太阳系在这样一个星系中,那么我们在晴朗的夜晚仰望星空时将会看到一些与银河系模式截然不同的东西。

  首先,夜空会更加壮观,更大的恒星密度意味着会有更多恒星离我们很近,它们在夜空中会更大更亮。但是,大量的尘埃又会导致那些遥远的恒星更加模糊、更加不可见。因此映入我们眼帘的,很可能是在远处是一个巨大的黑暗空间背景,眼前有许多的明亮的恒星。

  所以,这些巨大星系的发现意味着什么?星系越大,其中心的超大质量黑洞也就越大。所以,研究这些星系及其演化将能揭示更多关于超大质量黑洞的演化秘密。另外,巨大的星系也与暗物质的分布密切相关,它们在塑造星系的结构和分布上起着重要作用。

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  这样的观测结果向主流理论发起了挑战。因为没人能想到在宇宙的早期可以如此高效地制造出如此巨大的星系。许多天文学家认为,现有的对星系演化的建模仍必须依赖于恒星形成的近似模型,这或许是现有理论模型的问题所在。

  但由于这是首次发现这样的星系群,因此还需要更多的探索才能意识到它们究竟意味着什么,未来或许还会有更多的惊喜。新的观测结果证明了 ALMA 的力量,它们在远红外波段的确具有前所未有的空间分辨率。

  1998 年,天文学家曾用夏威夷的一个 15 米长的亚毫米波望远镜(詹姆斯克拉克麦克斯韦望远镜)发现了一个早期星系。但由于分辨率太之低,因此花了 14 年时间才确定这个光源。而现在,ALMA 只需要不到 2 分钟的时间就可以锁定每个新的星系,真的是十分高效了。

  在红外波段的天文观测即将带来一场新的天文学革命,现在,天文学家们已经开始翘首企盼,期待像詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)这样的天文台将能为我们揭示一个怎样奇妙的宇宙。

  参考来源:

  https://www.sciencemag.org/news/2019/08/galaxy-hunters-spot-hidden-giants-early-universe

  https://phys.org/news/2019-08-astronomers-vast-ancient-galaxies-dark.html

  论文链接:

  https://www.nature.com/articles/s41586-019-1452-4

 

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