ALMA重寫宇宙中嬰兒恆星潮的歷史

ALMA獲得的被引力透鏡放大的遙遠星系像，大圖下載：1.8MB，版權：ESO，ALMA，J. Vieira團隊。最強烈的恆星爆髮式誕生（專業名詞為星暴——譯註）事件應該發生在早期宇宙中的大質量明亮星系中。這些星暴星系儲存著巨量的氣體和塵埃，以極為激烈的速度形成恆星——比我們銀河系這樣的旋渦星系快數百倍。通過觀測極遙遠的星系——它們發出的光抵達地球需要百億年以上，天文學家能夠看到年輕宇宙的活躍時期。研究團隊領隊、研究報告首席作者、美國加州理工學院的華金?維埃拉（Joaquin Vieira）介紹道：「星系距離越遠，它就越是古老。因此通過測量星系的距離，我們能夠拼湊出宇宙137億年歷史中形成恆星的活躍程度的時間線。」國際研究團隊最初用美國國家科學基金會（NSF）的10米口徑的南極望遠鏡（SPT）發現這些遙遠的神秘的星暴星系，然後藉助ALMA聚焦於早期宇宙的幼齒恆星潮。他們驚訝地發現這些滿是塵埃雲的星暴星系比預期的更為遙遠。這意味著平均而言，星暴發生在120億年前，當時的宇宙還不足20億歲，比此前預期的早了足足10億年。

PDF插圖，顯示ALMA在3mm波段獲得的26個極遙遠星系的光譜。其中的兩個星暴星系是此類星系中最遠的——它們的光出發時，宇宙僅有10億歲。更重要的是，在其中一個破紀錄的星系中還發現了水分子的光譜，成為迄今公布的數據中，最遠的水分子觀測紀錄。藉助ALMA無與倫比的靈敏度，團隊在3毫米波段附近接收到26個此類星系的光譜。星系中的各種分子能產生特定波長的光譜，當它們經過數十億年到達地球時，光波因宇宙膨脹而被大大拉伸。通過測量比對各種波長，天文學家能夠確定光旅行了多長時間，並把它們各自歸入宇宙歷史的合適時間段。德國波恩馬克斯-普朗克射電天文研究院的阿克塞爾?維斯（Axel Weiss）負責團隊中測量星系距離工作，他解釋說：「ALMA的高靈敏度和寬廣的波長範圍意味著我們僅需幾分鐘就能測量一個星系的光譜——幾乎是以前速率的100倍。」大部分情況下，ALMA獨自就能完成距離的測量；但個別星系的距離，團隊還比較了其他望遠鏡的數據，其中包括歐洲南方天文台（ESO）的甚大望遠鏡（VLT）和阿塔卡瑪探索性實驗射電望遠鏡（APEX）（注1）。天文學家只使用了ALMA中的16部天線進行研究，共包含66部天線的整個ALMA系統還在建設中，當位於智利北部安第斯山脈中5000米海拔的查南托高原上的ALMA系統完全建成時，它將擁有更高的靈敏度，發現更暗的星系。目前，天文學家的目標先指向較亮的那些，他們藉助大自然的幫助——星系團的引力透鏡效應：當極遙遠星系的光經過相對較近的巨大星系團時，會因引力彎曲而匯聚變亮。

引力透鏡效應演示圖，版權：ESO。為了精確了解引力透鏡使星系變亮多少倍，團隊用ALMA在0.9毫米附近波段繪製了更精確的星系圖像。來自加拿大蒙特利爾市麥吉爾大學的Yashar Hezaveh負責引力透鏡研究，他解釋說：「ALMA獲得的這些美麗圖像顯示，背景星系的光被前景星系彎曲陳多個弧——學名愛因斯坦環。我們藉助星系團包含的大量暗物質，作為宇宙望遠鏡使遙遠的星系變得又亮又大。」通過對這些變形弧的分析表明，某些遙遠星暴星系的亮度競高達40萬億個太陽，這其中引力透鏡的放大效應達22倍。團隊成員、ESO的Carlos De Breuck繼續解說：「此前毫米波段發現的引力透鏡星系寥寥可數，而現在SPT和ALMA開始成打地發現它們。這類科學觀測以前主要由哈勃太空望遠鏡在光學波段實施，但現在ALMA也將成為一個極有力的參與者。」

PDF插圖，ALMA與哈勃觀測的對比，黑白圖像是哈勃的WFC3獲得的。團隊成員、美國亞利桑那大學的Daniel Marrone總結說：「這是一個藉助最先進的科學設施，全球天文學家協同作出驚人發現的極好樣本。此發現僅是ALMA的牛刀小試和研究此類星暴星系的開始，下一步是詳細研究這些天體，並精確算出它們是如何以如此高的速率形成恆星的。」J. Vieira團隊的研究報告刊登在《自然》上，標題：「通過引力透鏡發現早期宇宙中滿是塵埃的星暴星系」，另兩篇研究報告都發表在《天體物理學》期刊上，它們是A. Weiss 團隊測量距離的：「ALMA從SPT 巡天中挑選毫米波段的星系：充滿塵埃的星暴星系的紅移分布」；以及Y. Hezaveh團隊的關於引力透鏡效應研究的 「ALMA觀測強引力透鏡效應下的充滿塵埃的星暴星系」。注 1、進行附加觀測的望遠鏡有：APEX、VLT，及澳大利亞緊密射電陣列（ATCA）、毫米波射電陣列（SMA）等。
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