【博科園-科學(xué)科普】在探索宇宙的過程中，科學(xué)家們已經(jīng)深入地探索了宇宙空間。他們的最終目標(biāo)是確定我們宇宙中的第一個(gè)星系是什么時(shí)候形成的，以及它們對(duì)宇宙演化的影響。最近尋找這些最早的巖層的努力已經(jīng)探測(cè)到距離地球130億光年的距離，即大爆炸后約10億年。
這是一張哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的圖像，它是將光線從遙遠(yuǎn)的星系中聚焦，其中包括早期宇宙中一些非常多塵埃的恒星形成星系(在這張圖片中幾乎是類似的藍(lán)色斑點(diǎn))。圖片：NASA-Hubble
從這個(gè)意義上說：科學(xué)家現(xiàn)在能夠研究早期的星系是如何影響它們周圍的物質(zhì)的，特別是中性原子的具體化。不幸的是大多數(shù)早期的星系都很微弱，這使得研究它們的內(nèi)部變得很困難。但由于最近由一個(gè)國(guó)際天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的一項(xiàng)調(diào)查，一個(gè)更明亮、更大的星系被發(fā)現(xiàn)可以清楚地看到早期星系是如何導(dǎo)致再電離的。
這項(xiàng)研究將他們的發(fā)現(xiàn)命名為“在z ~ 7中發(fā)現(xiàn)的一個(gè)巨大的塵埃恒星形成星系的ISM特性”，最近發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》上。在德國(guó)波恩的馬克斯·普朗克射電天文學(xué)研究所的研究人員的帶領(lǐng)下，該團(tuán)隊(duì)依靠來自南極望遠(yuǎn)鏡(SPT)- sz的數(shù)據(jù)和阿爾瑪?shù)臄?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)在130億年前就存在的星系（大爆炸后僅僅8億年）。
在宇宙年齡的尺度中，通過先前的哈勃深場(chǎng)對(duì)星系的進(jìn)行闡述。圖片：NASA and A. Feild (STScI)
根據(jù)宇宙學(xué)的大爆炸模型，再電離指的是在被稱為“黑暗時(shí)代”的時(shí)期之后發(fā)生的過程。這發(fā)生在大爆炸后38萬到1.5億年之間，宇宙中的大多數(shù)光子與電子和質(zhì)子相互作用，這一時(shí)期的輻射是我們目前的儀器無法探測(cè)到的，因此得名。
在此之前“重組”發(fā)生了，氫和氦原子開始形成，最初電離（沒有電子束縛于原子核）這些分子在宇宙冷卻時(shí)逐漸捕獲離子，變得中性。在隨后的時(shí)期——即大爆炸之后的1.5億到10億年之間，宇宙的大規(guī)模結(jié)構(gòu)開始形成。
這是一個(gè)具體化的過程，第一批恒星和類星體形成，它們的輻射對(duì)周圍的宇宙進(jìn)行了具體化。因此很清楚天文學(xué)家為什么要探測(cè)宇宙的這個(gè)時(shí)代。通過觀察第一批恒星和星系，以及它們對(duì)宇宙的影響，天文學(xué)家將會(huì)更清楚地了解到這一早期階段是如何形成我們今天所知道的宇宙的。
幸運(yùn)的是研究小組發(fā)現(xiàn)，這一時(shí)期巨大的恒星形成星系中含有大量的塵埃。雖然在光帶中非常微弱，但這些星系發(fā)出的強(qiáng)輻射是亞毫米波波長(zhǎng)，這使得他們可以使用今天的先進(jìn)望遠(yuǎn)鏡——包括南極望遠(yuǎn)鏡(SPT)，Atacama探路者實(shí)驗(yàn)(APEX)和Atacama大毫米陣列(ALMA)。
NASA的斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡拍攝了這張令人驚嘆的銀河系中心的紅外圖像，在那里，一個(gè)黑洞在人馬座A那里。圖片：NASA/JPL-Caltech
為了他們的研究，斯特拉特和韋斯依靠來自SPT的數(shù)據(jù)來探測(cè)來自早期宇宙的一系列塵埃星系。馬克斯·普朗克射電天文學(xué)研究所的瑪麗亞·斯特拉迪和阿克塞爾·維斯(分別是這項(xiàng)研究的主要作者和合著者)今天通過電子郵件告訴《Universe Today》：
使用了大約1毫米波長(zhǎng)的光可以通過像SPT、APEX或ALMA這樣的mm望遠(yuǎn)鏡觀察到。在這個(gè)波長(zhǎng)上，光子是由塵埃的熱輻射產(chǎn)生的。使用這一長(zhǎng)波長(zhǎng)的好處是，對(duì)于一個(gè)大的紅移范圍(回溯時(shí)間)，由于距離的增加星系的變暗由紅移補(bǔ)償，因此觀察的強(qiáng)度與紅移無關(guān)。這是因?yàn)閷?duì)于更高的紅移星系，一個(gè)人正在尋找本質(zhì)上較短的波長(zhǎng)(由(1 + z))，在那里輻射更強(qiáng)的熱光譜，如塵埃光譜。
接下來是阿爾瑪(ALMA)的數(shù)據(jù)，該研究小組通過觀察星際介質(zhì)中一氧化碳分子的紅移波長(zhǎng)來確定星系的距離。從他們收集的所有數(shù)據(jù)中，他們可以通過觀察其譜線來限制其中一個(gè)星系spt0311 - 58的性質(zhì)。在這樣做的過程中，他們確定這個(gè)星系在大爆炸之后僅僅有七億七千萬年。
由于1mm的信號(hào)強(qiáng)度與紅移無關(guān)(回頭看時(shí)間)，如果物體相對(duì)接近(在宇宙學(xué)的意義上)或在具體化的時(shí)代，我們就沒有一個(gè)先驗(yàn)的線索，這就是為什么我們進(jìn)行了一項(xiàng)大型調(diào)查，通過使用ALMA的分子線來確定紅移。spt0311 - 58是這項(xiàng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)的最高的紅移天體，事實(shí)上是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最遙遠(yuǎn)的巨大的塵埃恒星星系。
在紫外線、可見光和紅外光中看到的哈勃超深場(chǎng)。圖片：NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI)
根據(jù)他們的觀察還確定spt0311 - 58的質(zhì)量約為330億太陽質(zhì)量，大約是銀河系(大約有50億個(gè)太陽質(zhì)量)的66倍，還估計(jì)正在以每年幾千的速度形成新的恒星，他們認(rèn)為這是鄰近星系的標(biāo)準(zhǔn)，也可以追溯到這個(gè)時(shí)期。
這個(gè)稀有而遙遠(yuǎn)的天體是迄今為止研究宇宙早期的樣子以及它是如何演化的最好的候選之一。這將使天文學(xué)家和宇宙學(xué)家們能夠測(cè)試大爆炸理論的理論基礎(chǔ)。
這些物體對(duì)于理解星系的演化是很重要的，因?yàn)樵谶@一來源中已經(jīng)存在大量的塵埃，在大爆炸之后只有7.6億年，這意味著它是一個(gè)極其巨大的物體。事實(shí)上當(dāng)宇宙還如此年輕的時(shí)候，如此巨大的星系已經(jīng)存在，這就給我們對(duì)星系質(zhì)量積累的理解帶來了強(qiáng)烈的限制。此外灰塵還需要在很短的時(shí)間內(nèi)形成，這就可以對(duì)來自第一恒星群的塵埃產(chǎn)生更多的見解。
觀察太空的能力，以及更早的時(shí)間，導(dǎo)致了許多令人驚訝的發(fā)現(xiàn)。這些反過來又挑戰(zhàn)了我們關(guān)于宇宙中發(fā)生的事情的一些假設(shè)，以及什么時(shí)候，最后他們正在幫助科學(xué)家創(chuàng)造一個(gè)更詳細(xì)、更完整的宇宙進(jìn)化的描述，不久的將來我們甚至可以探索宇宙中最早的時(shí)刻，并在行動(dòng)中觀察創(chuàng)造！
參考：NASA，CfA，天體物理學(xué)雜志
來自：Universe Today
