最新發現大爆炸後2.5億年後恆星形成的證據

來自專欄博科園

在大爆炸之後不久，第一代恆星開始改變原始星系的化學組成，逐漸豐富了包括氧氣、碳和氮等基本元素的星際介質。發現這些共同元素的最早的痕迹，將有助於揭示星系的化學演化，包括我們自己的銀河系。新的觀察結果與阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波陣列(ALMA)揭示了微弱的，能說明氧的簽名來自一個星系在創紀錄的距離地球132.8億光年的距離，這意味著我們正在觀察這個對象它出現在宇宙只有5億歲，或當前的年齡不到4%。對於這樣一個被稱為MACS1149-JD1的年輕星系來說，它必須在更早的時候就開始鍛造恆星:大爆炸後不到2.5億年。

與美國宇航局/ESA哈伯太空望遠鏡和inset圖像一起拍攝的銀河星系團J1149.5+2223，是與阿爾瑪觀測到的132.8億光年的星系MACS1149-JD1，在這裡阿爾瑪的氧氣分布被描繪成綠色。圖片：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NASA/ESA Hubble

這在宇宙的歷史中是非常早期的，並且表明豐富的化學環境是快速進化的。研究論文的第一作者Takuya Hashimoto解釋說：看到最遙遠的氧氣的信號，我很激動，在《自然》期刊上發表了論文，同時也是大阪大學和日本國家天文台的研究員。位於巴爾的摩的約翰霍普金斯大學(Johns Hopkins University)的天文學家魏正(音譯)說：這個極其遙遠、極其年輕的星系對它有著非凡的化學成熟。他利用哈勃太空望遠鏡發現了這個星系，並估計了它的距離。他也是ALMA研究小組的成員。阿爾瑪發現了一個排放線——一個特定元素的指紋——在這樣一個破紀錄的距離上，這真是太了不起了。

宇宙大爆炸之後，宇宙的化學成分十分有限，甚至連氧的微量元素都沒有。這將需要幾代的恆星誕生和超新星來為年輕的宇宙提供可檢測到的氧氣、碳和其他在恆星心臟中形成的元素。這些氧原子被超新星釋放後，進入了星際空間。在那裡變得過熱，被大質量恆星的光和輻射所電離。這些熱的、電離的原子在紅外光下「發光」。當這束光穿過宇宙的巨大距離時，它被宇宙的膨脹所拉伸，最終變成了阿爾瑪專門用來探測和研究的獨特的毫米波光。通過測量從紅外線到毫米波段的光波長的精確變化，研究小組確定了這一信號——氧氣通過132.8億光年到達我們，使它成為任何望遠鏡探測到的最遙遠的氧信號。

與美國宇航局/ESA的哈勃太空望遠鏡一起拍攝的銀河集群MACS J1149.5+2223;inset圖像是非常遙遠的星系MACS1149-JD1，被認為是133億年前，與ALMA一起觀測。在這裡阿爾瑪發現的氧氣分布呈紅色。圖片：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NASA/ESA Hubble

通過歐洲南方天文台的超大望遠鏡觀測到星系中中性氫的觀測，進一步證實了這一距離估計。這些觀測結果獨立證實了MACS1149-JD1是最遙遠的星系，具有精確的距離測量。隨後，研究團隊利用NASA/ESA哈勃太空望遠鏡和NASA的斯皮策太空望遠鏡拍攝的紅外線數據，重建了星系中的恆星形成史。觀測到的星系亮度很好地解釋了一個模型，恆星形成的時間是2.5億年前。模型表明，恆星的形成在第一批恆星被點燃後變得不活躍。它在阿爾瑪的觀測時代又復活了：大爆炸後5億年。

天文學家們認為，第一代恆星形成的爆炸將氣體從星系中吹走，從而暫時抑制了恆星的形成。然後氣體又回落到星系中，導致了第二顆恆星的形成。第二次爆炸產生的巨大新生恆星電離了恆星之間的氧氣，正是這些排放物被阿爾瑪發現。在MACS1149-JD1中，成熟的恆星意味著恆星正在形成甚至更早的時間，超出了我們現在用望遠鏡所能看到的範圍。這對於在第一個星系出現時發現「宇宙黎明」有著非常令人興奮的暗示，倫敦大學學院的研究員尼古拉斯·拉波特補充道，他也是該研究小組的一名成員。

阿爾瑪發現MACS1149-JD1中電離氧的微波譜，最初發射的紅外線波長為88微米，由於宇宙膨脹超過132.8億年，阿爾瑪探測器的波長增加了893微米。圖片：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Hashimoto et al.

相信阿爾瑪和詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的未來組合將在我們探索第一代恆星和星系的過程中發揮更大的作用。阿爾瑪曾數次創下最遙遠的氧氣記錄。2016年大阪Sangyo大學的Akio Inoue和他的同事們發現了與阿爾瑪約131億光年的氧氣信號。幾個月後，倫敦大學學院的尼古拉斯·拉波特(Nicolas Laporte)用ALMA探測了132億光年以外的氧氣。現在，兩隊合併成一組，並取得了新的記錄。這反映了科學研究前沿的競爭和協作性。通過這個發現，我們成功地到達了宇宙恆星形成史的早期階段，渴望在宇宙更遠的地方找到氧，擴大人類知識的視野。這項研究發表在《自然》期刊上《大爆炸2.5億年後恆星形成的開始》。

博科園-科學科普｜參考期刊《自然》｜來自：國家射電天文台

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