哈勃發現紅移達到10的超遙遠星系

06-20

原文標題：Hubble Finds Extremely Distant Galaxy through Cosmic Magnifying Glass原文作者：Adi Zitrin；Felicia Chou，Tom Broadhurst；Georgia Bladon，Donna Weaver來自：哈勃官網；發表時間：2014.10.16;翻譯：gohomeman1 審校：數星星的貓（編譯版權所有，未經許可請勿轉載）

2014.10.16：透過巨大的宇宙透鏡，美國宇航局（NASA）的哈勃太空望遠鏡發現了一個迄今已知最遙遠、最暗淡、最小的星系。這個微小的天體，光估計要走130億年才能到我們這裡。哈勃團隊的成員宣稱該新發現是對早期宇宙中星系距離的最可靠測量之一。哈勃能夠發現如此遙遠的天體，要感謝怪獸級星系團——Abell 2744的鼎力相助。Abell 2744星系團超大質量產生的強大引力，足以明顯扭曲其所在的時空，使得極遙遠的背景星系變大變亮，這就是著名的引力透鏡效應。

哈勃拍攝的Abell 2744星系團及超遙遠星系。大圖：3.6MB，版權：NASA，ESA；研究者團隊，下同。

在這張哈勃圖像中，星系團的引力使極遙遠背景星系產生了三個像，它們用白色小框標出，分別編號為a、b、c。在右方的放大圖中，分別用箭頭標出了這微型星系產生的像。引力透鏡使得每個圖像都放大、變亮了10倍以上。注意，小圖中的配色與整體圖像是不同的。透過巨大的宇宙透鏡，美國宇航局（NASA）的哈勃太空望遠鏡發現了一個迄今已知最遙遠、最暗淡、最小的星系。這個微小的天體，存在於大約130億年前（紅移z≈9.8，極為遙遠，譯註）。哈勃團隊的成員說，該新發現是對早期宇宙中星系距離的最可靠測量之一。他們採用兩種各自獨立的方法來估測其距離。

被引力透鏡放大的超遙遠星系圖之一（b），圖像特意縮小以凸顯中央的暗紅點。

這個星系的大小看起來只有銀河系的小零頭，但它卻讓我們得以一窺宇宙大爆炸後僅5億年的極早期時代的星系情況，那時的宇宙年齡僅為當前138億年的3%。天文學家已經發現大約10個類似的早期候選者，但這個新發現的星系明顯比其他同類的遙遠天體更暗更小。研究團隊領隊、帕薩迪納市加州理工學院的Adi Zitrin解釋說：「宇宙大爆炸5億年後，疑似存在大量的微型星系，該星系就是一個獨特的樣本。本發現告訴我們這樣的暗淡星系是存在的，我們將繼續找尋它們和更暗淡的同類，以便了解宇宙和星系在極早期的演化過程。」本發現是始於2013、歷時三年的大型科學項目——哈勃前沿場項目（Hubble Frontier Fields）的成果之一。按照該項目的規劃，美國宇航局（NASA）的三個最強大的空間望遠鏡——哈勃、斯必澤和錢德拉（Chandra）X線空間望遠鏡將通力協作，藉助巨型星系團探索早期宇宙。星系團的強大引力扭曲了時空，使得背景星系的圖像大幅增亮、變大。正是這種強透鏡效應讓天文學家得以發現許多本來根本看不到的極暗淡而遙遠的天體。

引力透鏡效應示意圖，大圖：730KB。

本發現中擔當引力透鏡效應的是巨型超星系團Abell 2744（紅移z=0.308），昵稱為潘多拉（Pandora，正是希臘神話中打開了魔盒的那位）星系團。它的引力使得單個星系產生了三個像，每個放大的像都比沒有透鏡效應的至少大10倍，也至少亮10倍。通過分析圖像發現，這個極遙遠星系只有850光年寬，不到銀河系半徑的1/50（譯註：PDF中沒有明確提到該星系的大小，但是850光年的直徑肯定不能如原文所寫是銀河系大小的1/500）。這個小星系的質量約為4000萬個太陽，產星率約為0.3個太陽/年，相當於銀河系的1/3。雖然這個數據看起來很低，但Zitrin強調考慮到它極小、質量很低，這個微型星系事實上正高效形成恆星、快速演化。Zitrin接著解說：「像這樣的微型星系，其中的小塊物質團可能正在形成恆星並發光，但它們還不具有明確的結構。因此，我們可能僅僅透過引力透鏡看到了其發光的明亮團塊，這也是它為何比典型的小星系更小得多的理由。」

PDF插圖，紅移值與成像角距。

Zitrin團隊在比較了Abell 2744星系團的光學和近紅外圖像後，發現了引力透鏡產生的多個像。這些圖像由哈勃的第三代廣域相機（WFC3）和高級巡天相機（ACS）拍攝。但是，他們最初並不知道這些星系的距離我們地球有多遠。通常，天文學家使用光譜儀測算天體的距離。由於宇宙膨脹，越遠的天體，其光譜的紅移越大。因此，天文學家能通過光譜儀精確測定這個效應有多大——元素特徵譜線的相互關係是不變的。但是，被引力透鏡放大的星系實在太遙遠太暗淡，使用光譜儀已經無能為力。天文學家只能採用替代方法——分析其顏色構成。宇宙膨脹導致的紅移效果是能夠預言的，科學家也能測量出來（譯註：分析主要是排除它是比較近的星系的可能性。超遙遠星系的特點是光學波段看不見，紅外波段才可見；較近星系由於紅移較小，光學波段也看得見）。Zitrin團隊的成員不但採用顏色分析技術，他們還利用引力透鏡產生的多個圖像，分別估算其距離。天文學家測算了三個像在哈勃照片中彼此之間的角距。像的距離越大，它們離地球也越遠。為確定這個概念的正確性，他們還比較了Abell 2744形成的其他幾個透鏡像（那些星系相對較近，能用光譜分析其距離，譯註），結果證明角距越小的星系，相對也越近。Zitrin繼續分析：「這些測量表明，基於三個像之間的角距相當大，它們必定離我們極遠。這個結果也與我們基於顏色分析的結論相符。因此我們有95%的把握相信，它是一個非常遙遠的天體，紅移達到了10（度量宇宙膨脹程度的單位）。引力透鏡效應排除了任何懷疑它的巨大紅移量，認為它是近鄰星系假扮的可能性。」長期以來，天文學家一直在爭議如此早期的宇宙，是否能提供足夠的（紫外）輻射使得宇宙大爆炸後快速冷卻的氫重新變暖起來——此過程稱為「再電離」，發生在宇宙誕生後2億年到10億年間。再電離使得宇宙再次對紫外光變得透明（到現在已經紅移為中紅外光），天文學家回溯宇宙時光時不會陷入冷氫氣組成的迷霧中。Zitrin總結道：「我們傾向於假設星系電離了宇宙中的氫，卻沒有發現足夠的星系以提供足夠的紫外光。所以我們必須發現越來越暗的星系，而前沿場項目中那些巨型星系團的引力透鏡，為我們實現目標提供了可能。」團隊研究報告已經於2014.9.5發表在《天體物理學通訊》期刊的在線版上。類似的另一篇報道，詳見http://www.astron.ac.cn/bencandy-3-10394-1.htm。