美國(guó)宇航局斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)，宇宙中一些最早星系比預(yù)期的還要明亮。過(guò)量的光是星系釋放出高得令人難以置信的電離輻射副產(chǎn)品。這一發(fā)現(xiàn)為再電離時(shí)代的成因提供了線索。再電離時(shí)代是一個(gè)重大的宇宙事件，它將宇宙從幾乎不透明的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻裉焖?jiàn)的明亮恒星景觀。

在一項(xiàng)新研究中，研究人員報(bào)告了在宇宙大爆炸后不到10億年(或130多億年前)，對(duì)宇宙中最早形成的一些星系觀測(cè)結(jié)果。數(shù)據(jù)顯示，在幾個(gè)特定波長(zhǎng)的紅外光中，這些星系比科學(xué)家預(yù)期的要明亮得多。

這項(xiàng)研究首次對(duì)這一時(shí)期的大量星系樣本證實(shí)了這一現(xiàn)象，表明這些并不是亮度過(guò)高的特殊情況，但即使是當(dāng)時(shí)存在的普通星系，其波長(zhǎng)也比我們今天看到的星系要亮得多。沒(méi)有人確切地知道我們宇宙中的第一顆恒星是什么時(shí)候誕生的。但有證據(jù)表明，在大爆炸之后的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(kāi)始合并成恒星，然后開(kāi)始形成第一個(gè)星系。大爆炸后大約10億年，宇宙變成了一個(gè)閃閃發(fā)光的蒼穹。另一件事也發(fā)生了變化：無(wú)處不在的中性氫氣的電子在一個(gè)被稱為電離的過(guò)程中被剝離了。

再電離時(shí)代（從一個(gè)充滿中性氫的宇宙到充滿電離氫宇宙的轉(zhuǎn)變）是有據(jù)可據(jù)的。在這種全宇宙范圍的轉(zhuǎn)變之前，長(zhǎng)波形式的光，如無(wú)線電波和可見(jiàn)光，或多或少地不受阻礙地穿過(guò)宇宙。但是較短波長(zhǎng)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(huì)剝離中性氫原子的電子，使其電離。但是，是什么可能產(chǎn)生足夠的電離輻射來(lái)影響宇宙中所有氫呢？是單個(gè)恒星嗎？巨型星系？如果其中之一是罪魁禍?zhǔn)?，那么這些早期宇宙殖民者將與大多數(shù)現(xiàn)代恒星和星系有所不同，因?yàn)樗鼈兺ǔ２粫?huì)釋放出大量的電離輻射。

然而，也許完全是其他原因?qū)е铝诉@一事件，比如類星體——由大量圍繞超大質(zhì)量黑洞運(yùn)行的物質(zhì)提供動(dòng)力，具有令人難以置信明亮中心的星系。該研究的主要作者、瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)(University of Geneva)博士后斯蒂芬·德·巴羅斯(Stephane De Barros)說(shuō)：這是觀測(cè)宇宙學(xué)中最大的公開(kāi)問(wèn)題之一，我們知道發(fā)生了什么事，但究竟是什么原因呢？這些新發(fā)現(xiàn)可能是一個(gè)重大線索。

尋找光

為了回溯再電離時(shí)代結(jié)束前的時(shí)間，斯皮策對(duì)天空的兩個(gè)區(qū)域分別觀測(cè)了200多個(gè)小時(shí)，這使得太空望遠(yuǎn)鏡能夠收集到經(jīng)過(guò)130多億年才到達(dá)地球的光。作為斯皮策所進(jìn)行的最長(zhǎng)的科學(xué)觀測(cè)之一，它們是一項(xiàng)名為“偉大”(GREATS)觀測(cè)活動(dòng)的一部分。GOODS(它本身就是一個(gè)縮略語(yǔ):Great observobservatory origin Deep Survey)是另一個(gè)對(duì)一些偉大目標(biāo)進(jìn)行首次觀測(cè)的項(xiàng)目。這項(xiàng)發(fā)表在《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》(Monthly notice of The Royal Astronomical Society)上的研究還使用了美國(guó)宇航局(NASA)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡(Hubble Space Telescope)的存檔數(shù)據(jù)。

利用斯皮策望遠(yuǎn)鏡的這些超深度觀測(cè)，天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)觀察了135個(gè)遙遠(yuǎn)的星系，發(fā)現(xiàn)它們?cè)趦蓚€(gè)特定波長(zhǎng)的紅外光中都特別明亮。紅外光是由電離輻射與星系內(nèi)的氫和氧氣體相互作用產(chǎn)生的。這意味著這些星系主要由年輕的大質(zhì)量恒星組成，主要由氫和氦組成。與現(xiàn)代星系中的普通恒星相比，它們含有非常少量的“重”元素(如氮、碳和氧)。這些恒星并不是宇宙中最早形成的恒星(這些恒星只由氫和氦組成)，但它們?nèi)匀皇欠浅Ｔ缙诤阈堑某蓡T。再電離的時(shí)代并不是一個(gè)瞬間的事件，因此，雖然新的結(jié)果還不足以結(jié)束對(duì)這個(gè)宇宙事件的研究。

但它們確實(shí)提供了關(guān)于宇宙在這個(gè)時(shí)候是如何演化的，以及這個(gè)轉(zhuǎn)變是如何完成的新細(xì)節(jié)。位于加州帕薩迪納市的美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的斯皮策項(xiàng)目科學(xué)家邁克爾·沃納(Michael Werner)說(shuō)：我們沒(méi)有想到斯皮策望遠(yuǎn)鏡的反射鏡只有呼拉圈那么大，卻能看到如此接近時(shí)間黎明的星系。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(xiàn)，使它們處于我們這個(gè)小型但功能強(qiáng)大的天文臺(tái)的觀測(cè)范圍之內(nèi)。NASA的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃將于2021年發(fā)射，它將以斯皮策望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到許多相同波長(zhǎng)來(lái)研究宇宙。

但是斯皮策望遠(yuǎn)鏡的主鏡直徑只有85厘米(33.4英寸)，韋伯的主鏡直徑為6.5米(21英尺)（大約是前者的7.5倍）這使得韋伯能夠更詳細(xì)地研究這些星系。事實(shí)上，韋伯將嘗試探測(cè)宇宙中第一批恒星和星系發(fā)出的光。這項(xiàng)新研究表明，由于斯皮策觀測(cè)到的星系在紅外波段的亮度，韋伯對(duì)它們的研究將比之前認(rèn)為的更容易。日內(nèi)瓦大學(xué)(University of Geneva)助理教授、該研究的合著者帕斯卡·奧施(Pascal Oesch)說(shuō)：斯皮策這些結(jié)果無(wú)疑是解開(kāi)宇宙再電離之謎的又一步。我們現(xiàn)在知道，這些早期星系的物理?xiàng)l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(yuǎn)鏡的工作，找出其中的具體原因。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來(lái)自:?噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室/Calla Cofield,phys

參考期刊文獻(xiàn):《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》

DOI: 10.1093/mnras/stz940

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