远古星系是如何照亮宇宙的？包含了太多宇宙奥秘！

美国宇航局斯皮策太空望远镜发现，宇宙中一些最早星系比预期的还要明亮。过量的光是星系释放出高得令人难以置信的电离辐射副产品。这一发现为再电离时代的成因提供了线索。再电离时代是一个重大的宇宙事件，它将宇宙从几乎不透明的状态转变为今天所见的明亮恒星景观。在一项新研究中，研究人员报告了在宇宙大爆炸后不到10亿年(或130多亿年前)，对宇宙中最早形成的一些星系观测结果。数据显示，在几个特定波长的红外光中，这些星系比科学家预期的要明亮得多。

 

这项研究首次对这一时期的大量星系样本证实了这一现象，表明这些并不是亮度过高的特殊情况，但即使是当时存在的普通星系，其波长也比我们今天看到的星系要亮得多。没有人确切地知道我们宇宙中的第一颗恒星是什么时候诞生的。但有证据表明，在大爆炸之后的1亿到2亿年间，宇宙中大部分是中性的氢气，它们可能刚刚开始合并成恒星，然后开始形成第一个星系。大爆炸后大约10亿年，宇宙变成了一个闪闪发光的苍穹。另一件事也发生了变化：无处不在的中性氢气的电子在一个被称为电离的过程中被剥离了。

 

再电离时代（从一个充满中性氢的宇宙到充满电离氢宇宙的转变）是有据可据的。在这种全宇宙范围的转变之前，长波形式的光，如无线电波和可见光，或多或少地不受阻碍地穿过宇宙。但是较短波长的光——包括紫外光、x射线和伽玛射线——被中性氢原子阻挡住了。这些碰撞会剥离中性氢原子的电子，使其电离。但是，是什么可能产生足够的电离辐射来影响宇宙中所有氢呢？是单个恒星吗？巨型星系？如果其中之一是罪魁祸首，那么这些早期宇宙殖民者将与大多数现代恒星和星系有所不同，因为它们通常不会释放出大量的电离辐射。

 

这张由美国宇航局哈勃和斯皮策太空望远镜拍摄的深视野(中心)由星系主导（包括一些非常微弱、非常遥远的星系）用红色圈起来；右下角的插图显示了在长时间观测中从其中一个星系收集到的光。图片：NASA/JPL-Caltech/ESA/Spitzer/P. Oesch/S. De Barros/I.Labbe

然而，也许完全是其他原因导致了这一事件，比如类星体——由大量围绕超大质量黑洞运行的物质提供动力，具有令人难以置信明亮中心的星系。该研究的主要作者、瑞士日内瓦大学(University of Geneva)博士后斯蒂芬·德·巴罗斯(Stephane De Barros)说：这是观测宇宙学中最大的公开问题之一，我们知道发生了什么事，但究竟是什么原因呢？这些新发现可能是一个重大线索。

寻找光

为了回溯再电离时代结束前的时间，斯皮策对天空的两个区域分别观测了200多个小时，这使得太空望远镜能够收集到经过130多亿年才到达地球的光。作为斯皮策所进行的最长的科学观测之一，它们是一项名为“伟大”(GREATS)观测活动的一部分。GOODS(它本身就是一个缩略语:Great observobservatory origin Deep Survey)是另一个对一些伟大目标进行首次观测的项目。这项发表在《皇家天文学会月刊》(Monthly notice of The Royal Astronomical Society)上的研究还使用了美国宇航局(NASA)哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope)的存档数据。

 

利用斯皮策望远镜的这些超深度观测，天文学家团队观察了135个遥远的星系，发现它们在两个特定波长的红外光中都特别明亮。红外光是由电离辐射与星系内的氢和氧气体相互作用产生的。这意味着这些星系主要由年轻的大质量恒星组成，主要由氢和氦组成。与现代星系中的普通恒星相比，它们含有非常少量的“重”元素(如氮、碳和氧)。这些恒星并不是宇宙中最早形成的恒星(这些恒星只由氢和氦组成)，但它们仍然是非常早期恒星的成员。再电离的时代并不是一个瞬间的事件，因此，虽然新的结果还不足以结束对这个宇宙事件的研究。

 

这幅艺插图展示了宇宙中最早的星系之一可能的样子，高强度的恒星形成和恒星死亡会照亮恒星之间的空间，使星系基本上不透明，没有一个清晰的结构。图片：James Josephides (Swinburne Astronomy Productions)

但它们确实提供了关于宇宙在这个时候是如何演化的，以及这个转变是如何完成的新细节。位于加州帕萨迪纳市的美国宇航局喷气推进实验室的斯皮策项目科学家迈克尔·沃纳(Michael Werner)说：我们没有想到斯皮策望远镜的反射镜只有呼拉圈那么大，却能看到如此接近时间黎明的星系。但自然界充满了惊喜，这些早期星系的意外亮度，加上斯皮策的卓越表现，使它们处于我们这个小型但功能强大的天文台的观测范围之内。NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜计划将于2021年发射，它将以斯皮策望远镜观测到许多相同波长来研究宇宙。

 

但是斯皮策望远镜的主镜直径只有85厘米(33.4英寸)，韦伯的主镜直径为6.5米(21英尺)（大约是前者的7.5倍）这使得韦伯能够更详细地研究这些星系。事实上，韦伯将尝试探测宇宙中第一批恒星和星系发出的光。这项新研究表明，由于斯皮策观测到的星系在红外波段的亮度，韦伯对它们的研究将比之前认为的更容易。日内瓦大学(University of Geneva)助理教授、该研究的合著者帕斯卡·奥施(Pascal Oesch)说：斯皮策这些结果无疑是解开宇宙再电离之谜的又一步。我们现在知道，这些早期星系的物理条件与今天的典型星系非常不同。这将是詹姆斯·韦伯太空望远镜的工作，找出其中的具体原因。