早期的宇宙比你想象中更加絢麗

2023.04.08 云南

圖片說(shuō)明：一位藝術(shù)家關(guān)于一顆早期星系的印象：充斥著恒星形成和死亡的劇烈活動(dòng)，使得明顯可見(jiàn)的可定義結(jié)構(gòu)有所缺失。

美國(guó)宇航局斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)顯示，早期宇宙中的一些星系比宇宙學(xué)家預(yù)測(cè)的要亮得多。該發(fā)現(xiàn)發(fā)表于皇家天文學(xué)會(huì)月刊上，并在預(yù)印本服務(wù)器arXiv上全文提供，為宇宙早期發(fā)展階段中最難理解的階段之一，Reionisation時(shí)代，提供了線索。

這一時(shí)期始于大爆炸后約30萬(wàn)年，并在70萬(wàn)年后完成。在此之前，宇宙主要由中性氫氣組成，這些中性氫氣很快就開(kāi)始凝聚形成第一顆恒星。這些早期恒星與宇宙十億年后努力創(chuàng)造的大量恒星非常不同。它們的特別之處在于，它們僅僅由氫和氦原子組成。

第二代年輕恒星摻入了少量的“重”元素，如碳，氧和氮，但與后來(lái)的元素相比仍然非常元素稀缺。盡管如此，非常早期的恒星仍能在光譜中發(fā)射射線。具有長(zhǎng)波長(zhǎng)的輻射，例如無(wú)線電波和可見(jiàn)光，能夠非常容易地穿過(guò)充滿中性氫原子的巨大星際介質(zhì)。

然而，較短波長(zhǎng)的輻射，例如紫外線，X射線和伽馬射線，發(fā)射的難度更大，并會(huì)被撞擊成氫原子。它們用剝離電子的力量做到了這一點(diǎn)- 剝?nèi)チ穗娮?，從而使它們電離。這樣一種尚未完全被理解的方式，促使宇宙發(fā)展成今天的閃亮明星，星光熠熠的實(shí)體。

圖解：天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了早期宇宙中最微弱暗淡的星系

對(duì)于宇宙學(xué)家來(lái)說(shuō)，解開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)的核心之一就是要找到一個(gè)足夠大的光源來(lái)產(chǎn)生足夠的短波輻射，以便在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)整個(gè)星系進(jìn)行電離?，F(xiàn)代恒星不釋放大量的電離輻射，因此它們的遙遠(yuǎn)先祖也很可能沒(méi)有。有人提出了類(lèi)星體的假說(shuō)，但最終也沒(méi)有人知道真正的事實(shí)。

“這是觀察宇宙學(xué)中最大的開(kāi)放性問(wèn)題之一，”來(lái)自瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的Stephane De Barros說(shuō)，他是最新研究的主要作者?！拔覀冎浪l(fā)生了，但是是什么導(dǎo)致了它？這些新發(fā)現(xiàn)可能是一個(gè)很大的線索?！庇袪?zhēng)議的結(jié)果來(lái)自斯皮策對(duì)天空中兩個(gè)區(qū)域內(nèi)135個(gè)遙遠(yuǎn)星系的觀測(cè)。望遠(yuǎn)鏡對(duì)這兩個(gè)地區(qū)進(jìn)行了200多個(gè)小時(shí)的拍攝，捕捉到了130億年前發(fā)出的光。

接著，科學(xué)家將觀測(cè)結(jié)果與哈勃太空望遠(yuǎn)鏡收集的檔案數(shù)據(jù)相結(jié)合。令De Barros和他的同事驚訝的是，這些照片顯示年輕的恒星比大家預(yù)期的要亮得多。這種明亮并不局限于一個(gè)或兩個(gè)星系 - 這些星系可能被歸類(lèi)為異常 - 而是呈現(xiàn)在所有星系中。

分析顯示，古代星系中充滿了年輕的大質(zhì)量恒星 - 第二代主體主要由氫和氦組成，但含有少量較重的元素。亮度僅限于兩種特定波長(zhǎng)的紅外光 - 由電離輻射與星系內(nèi)的氫氣和氧氣相互作用產(chǎn)生。

研究結(jié)果的完整意義尚待確定，并且在一段時(shí)間內(nèi)可能無(wú)法被知悉。然而，這些發(fā)現(xiàn)能幫助宇宙學(xué)家更近一步地確定宇宙生長(zhǎng)中關(guān)鍵階段的機(jī)制?！八蛊げ叩倪@些結(jié)果無(wú)疑是解決宇宙再電離謎團(tuán)之路上的又一步，”共同作者Pascal Oesch說(shuō)?！拔覀儸F(xiàn)在知道，這些早期星系的物理?xiàng)l件與如今的典型星系非常不同。詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的工作就是找出問(wèn)題的詳細(xì)原因?！?/span>