哈勃發現早期宇宙中大量小而暗的星系

2014.1.7：天文學家長期以來一直懷疑，早期宇宙中存在大量小而暗的星系，它們是存在於當今宇宙中的大部分恆星的製造地。最近，哈勃在早期宇宙的紫外光深度曝光圖像中，終於發現了它們。這些小星系的數量，百倍於我們此前探測到的那個時代的大質量同胞。

在Abell 1689星系團的背景星系中發現的大量暗星系。大圖：4.7MB，版權：NASA，ESA，STScI，下同。美國宇航局（NASA）和歐洲空間局（ESA）合作的哈勃太空望遠鏡拍攝的新圖像，終於揭示了當今尚存的大部分恆星的製造星系。這些極遙遠宇宙中的星系又小又暗，但數量極大，它們在哈勃紫外光深度曝光圖像中顯形。這58個年輕的小星系存在於100億年前，正處於孕育恆星的全盛期。新發現的星係數量，是它們大質量同胞的100倍以上，但它們比此前深度巡天中發現的早期星系同樣暗淡了100倍以上。2014年1月初，第223屆全美天文學大會帶華盛頓特區召開，研究結果在大會上公開（類似的哈勃觀測結果有好幾個，譯註）。通常，這些星系都太暗了，無法被哈勃看見。為此，天文學家藉助宇宙中的天然放大鏡——超巨型星系團Abell 1689的引力透鏡效應。 星系團強大的引力彎曲了時空，使後方的遙遠星系的光彎折並變亮。研究團隊領隊、加州大學河濱分校的Brian Siana解釋說：「我們擔心的是只發現了遙遠星系中最明亮的那些。最明亮星系就像冰山露出水的尖頂。我們相信，大部分恆星誕生於那些早期宇宙中通常看不見的（暗淡）星系。而現在我們發現了那些『隱藏』星系，我們確信看到了冰山的水下部分。」

暗星系集錦圖（藍色的光弧、光點），大圖：10.5MB。Siana團隊相信，他們完成了宇宙年齡大約34億年時的星系普查。假如這個樣本能夠代表早期宇宙宇宙該階段的整體，那麼顯然絕大多數的新生恆星誕生於這些小星系中。團隊成員、科學報告首席作者、同在加州大學河濱分校的Anahita Alavi介紹說：「雖然這些星系非常暗淡，但它們數量極大，意味著該階段的大部分恆星形成要歸功於它們。」發現這些小星系同樣也為該觀點提供了支持：小星系中的熾熱恆星提供了足夠輻射電離氫原子中的電子。這個過程稱為「再電離」，發生在大約130億年前，就在宇宙大爆炸後頭一個十億年中。再電離使宇宙對（紫外）光變得透明，讓天文學家能夠看到遙遠（早期的）宇宙。Siana繼續解說：「雖然我們樣本中的星系離再電離時期還差了一、二十億年，但從它們可以合理推測，類似的星系在再電離時期扮演了重要的角色。」這些天體與我們附近宇宙中主流的橢圓星系、旋渦星系明顯不像。Alavi補充說：「引力透鏡扭曲、拉伸了遙遠星系的外形。沒有引力透鏡，它們在哈勃圖像中僅是一個點源。我們現在有了關於星系大小的想法，而這本來是不可能的。」對哈勃圖像的分析顯示，這些星系小而不規則。僅有幾千光年長。既使這些星系完全長大，它們的質量也僅為銀河系的1%～1/10。因為它們正處於瘋狂形成恆星的星暴期中，星系的光由幼年恆星的紫外光所主導。研究團隊使用哈勃的第三代廣域相機（WFC3）在紫外波段搜尋這些暗淡的恆星誕生期星系，此波段是恆星誕生的示蹤波段。這些星系存在於宇宙尚處於恆星誕生的「嬰兒房時期」，離現在有90～120億年遠。

巨型星系團Abell 1689，其中275、336nm的紫外光，正好是氫Lyman-α線紅移1.5、2.0時所在的波長。圖像標尺：100萬光年；大圖：42.0MB。Alievi強調說：「我們的目標並不僅是發現大量的星系，而是還要發現更多的暗淡星系。」G通過引力透鏡星系團對背景星系進行深度巡天觀測將使用哈勃新的三年觀測時間，項目稱為「（科學）前沿場」。科學家將藉助哈勃榨盡6個巨型星系團的放大能力，搜尋生存在120～130億年前的（第一代）星系。這些通過引力透鏡發現的星系將是NASA的詹姆斯?韋伯空間望遠鏡（JWST）的主要觀測目標，JWST工作於紅外波段，計劃於2018年發射。通過光譜分析，JWST將了解每個星系的恆星誕生信息和化學成份。譯註：哈勃官網新近更新了大量新聞，基本都是2014年1月初的全美天文大會上公開的新發現或觀測，但因譯者時間有限，最近又生病，只能請讀者多等待一段時間了。
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