迄今所觀察到的最遙遠星系提供早期宇宙的洞察

byMattWilliams

Article written: 16 Aug ,2017Updated: 16 Aug , 2017

哈勃望遠鏡的阿貝爾(Abell)1689星系團的圖像, 阿貝爾(Abell)1689星系團起聚焦來自更遙遠的星系的光的鏡頭作用，包括在宇宙早期（在這個圖像中看為近點狀的藍色塗抹）一些很塵埃的恆星形成星系。Credit: NASA-Hubble

在他們的追求學知我們的宇宙怎樣成這個樣子中，科學家們已經深深探索了空間(因此，回到很遙遠的時間)。最終，他們的目標是來確定我們宇宙中第一個星系是什麼時候形成的以及它們對宇宙演化的影響。最近的來定位這些最早的形成的努力已經探測到了從地球達130億光年的距離------即宇宙大爆炸後約10 億年。

由此，科學家現在能夠來研究早期星系怎樣影響了周圍的物質的------尤其是中性原子的電離化。不幸的是，大多數早期的星系是非常微弱的，這使得研究它們的內部困難的。但由於最近由一個國際天文學家小組進行的調查，一個更明亮、大質量星系被發現可以提供清晰的早期星系怎樣導致了再電離的一睹。

這項最近刊登在天體物理學雜誌上題為"在z ~ 7發現的一個大質量塵埃恆星形成星系的ISM屬性"研究詳細解釋了他們的研究結果。由德國波恩的馬克斯·普朗克射電天文學研究所的研究人員領導，這個團隊依靠來自南極望遠鏡(SPT)- SZ調查和阿爾瑪的數據發現一個130億年前存在的星系（剛好在大爆炸之後的8 億年）。

哈勃望遠鏡先於深場倡議成像的星系的深度的描畫，單位為宇宙的年齡。 Credit: NASA and A. Feild(STScI)

根據宇宙學的大爆炸模型，再電離指在這個時期後發生的被稱為"黑暗時代"的過程。這發生在大爆炸後的380,000和1.5億年之間，那時在宇宙中的大部分光子都正在與電子和質子交互作用。結果是，這一時期的輻射我們當前的儀器是探測不到的------因此這個名稱。

恰在這一時期之前,這個"重組"發生了，其中開始形成了氫和氦的原子。隨宇宙冷卻最初電離了（沒有綁定到它們的原子核的電子）的這些分子逐漸的捕獲了離子，成為中性的。在跟著的期間中------即大爆炸後1億5000萬年至10億年之間------宇宙的大尺度結構開始形成。

這個固有的是再電離的過程，其中第一批恆星和類星體形成了並且它們的輻射再電離了周圍的宇宙。因此為什麼天文學家想要探索這個時代的宇宙是清楚的。通過觀察第一批的恆星和星系以及它們對宇宙有過的影響，天文學家將得到一個更清楚的這個早期怎樣導致了如我們今天所知道的宇宙的。

對研究團隊幸運的是，這一時期的大質量的、恆星形成星系已知包含大量的塵埃。雖然在光學波段中非常微弱，但這些星系發射出強的毫米波，這使得它們使用今天擁有的先進望遠鏡可探測的------包括南極望遠鏡(SPT)、阿塔卡馬探路者實驗(APEX)和阿塔卡馬大型毫米波陣列(ALMA)。

美國國家航空航天局的斯皮策太空望遠鏡捕捉到的這個令人驚嘆的銀河系中心的紅外圖像，黑洞 Sagitarrius A 所在的地方。. Image: NASA/JPL-Caltech

為了他們的研究，斯特蘭德特和韋斯依靠來自SPT的數據從早期的宇宙來檢測一系列的塵埃星系。如馬克思普朗克射電天文研究所的瑪麗亞·斯特蘭德特和阿克塞爾·維斯(分別是研究第一作者和合作者)通過電子郵件告訴今天宇宙的:

"我們已經用了約1毫米波長的光，這能被像SPT、APEX或ALMA一樣的毫米望遠鏡觀察到。在這個波長上，光子由塵埃的熱輻射產生。使用這個長波長的美是對於一個大的紅移的範圍（看回時間），距離增加引起的星系變光被這個紅移補償------因此觀察到的強度是獨立於紅移的。這是因為，對於高紅移星系，人正在看本質上更短的波長（除以(1 + z))其中對像這個塵埃光譜一樣的熱譜這個輻射更強"。

這被來自阿塔卡馬大型毫米波陣列的數據遵守，團隊使用了這個通過看它們的星際介質(ISM)中的一氧化碳分子的紅移波長來確定星系的距離。從他們收集的所有數據，他們都能夠通過觀察它的譜線來限制這些星系之一SPT0311-58的屬性。在這樣做時，他們確定了這個星系恰存在於大爆炸後7億6000萬年。

他們說，"由於在1毫米的信號強度是獨立於紅移（看回時間）的，我們確實沒有一個事先的如果一個天體是相對的較近（在宇宙學的意義上）或在再電離時代的線索，這就是為什麼我們進行了大量的使用ALMA調查來確定這些紅移通過分子線發射的。SPT0311-58 原來是在這次調查中發現的最高紅移天體和事實上到目前為止發現的最遙遠大質量埃恆星形成星系"。

在紫外、可見和紅外光中看到哈勃超深空場。Image Credit: NASA, ESA, H. Teplitz and M.Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI)

從他們的觀察，他們也確定了SPT0311 58 具有一個約3300億個太陽質量的質量，這約是銀河系（其中有約50 億個的太陽質量）的66倍。他們也估計了它正在以每年幾千個的速度形成新的恆星，這他們認為對鄰近的也可追溯到這個時期的星系是標準。

這個罕見的和遙遠的天體是還沒有過的研究早期宇宙看起來像的和它已經自此演化的最佳候選。這反過來將允許天文學家和宇宙學家為大爆炸理論來測試這個理論基礎。正如斯特蘭德特和維斯告訴今天宇宙關於他們的發現的：

"這些天體對理解自從大爆炸之後僅7億6000萬年以來在這個源中大量的塵埃已經存在作為一個整體的星系演化是重要的，意味著它是一個極端的大質量的天體。當宇宙仍然這麼年輕時這樣巨大的星系已經存在了的這一事實對我們理解星系質量的建成放上了一個強約束。此外塵埃需要在很短的時間形成，這給出關於從第一批恆星群中塵埃的產生的額外的洞察"。

能夠來深入看進空間的能力並更深回到時間中已經導致了後來的許多驚人的發現。而且這些反過來挑戰了一些我們的關於宇宙中什麼時候發生了什麼的假設。而在結束時，它們正在幫助科學家來創造一個宇宙進化的更詳細、更完整的說明。不久的將來，我們甚至可能能夠在宇宙中探索最早的時刻並觀察行動中的創造！

Further Reading:CfA,TheAstrophysical Journal Letters

https://www.universetoday.com/136786/distant-galaxy-observed-date-provides-insight-early-universe/