宇宙演化史上的一個巨大空白終于被天文學家填補上了。

文章作者:管理一号 | 2019-08-13
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最近,國際演化史上的一個巨大空白總算被地輿學家添補上了。運用多台望遠鏡,他們驚喜地發現了一個躲藏的大型星系群。

國際從誕生至今已有138億的前史,而這些大型星系在118億年之前就現已存在了。這是地輿學家們第一次證明,在國際生命周期的頭20億年時刻裡有如此巨大的星系群,它們的存在與超大質量黑洞暗物質的分布密切相關。

新發現的陳腐星系的藝術設想圖。| NAOJ

這是前所未有的發現,其數量之多與目前對國際那段時期的演化模型相悖。但是,為何我們直到現在才發現如此的龐然大物呢?這是因為,這些星系宣告的光極端微小,連哈勃太空望遠鏡也對它們束手無策。研讨人員将新的發現宣布在了最近的《自然》雜志上,它标明,或許有90%的大型星系都被我們錯過了。這樣的定論無疑将激發許多的進一步研讨。

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對地輿學家來說,要證明天空中某個極端微小的光點實際上是一個悠遠的星系絕非易事。他們需求運用一些技巧,比方一種依賴于星系宣告的光譜的技巧。

我們知道,恒星會放出非常豐富的光,但構成恒星的氫氣所吸收的波長要短于紫外線波段的一些特定部分,因此構成了一個共同的截止(cutoff)光譜。在光線抵達觀測者之前,光線會因為國際的膨脹而被拉到更長的波長,然後構成紅移。這樣一來,截止光就會被推移到光譜中别的位置,比方被推到可見光波段或近紅外光波段。經過尋找這種特征,哈勃太空望遠鏡現已發現了數百個在國際誕生還不到20億年時就放出光輝的星系。

不過,這項技術存在一個問題,它對更小、更年青的星系非常活絡,但是對更大、更老的星系卻往往視若無睹。其間一個原因是,較大的星系往往被塵土所籠罩,因此與較小的星系比較,它們反而更加迷糊。

并且這些前期的、更大、更老到的星系含有更多的超新星,超新星爆炸所發作的塵土會吸收大部分的紫外線,然後抹去這種光譜截止。能夠說,前期的大質量星系在可見光波段上對地球上的觀測者來說是不行見的。

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在新的研讨中,他們找到了一種能将塵土這個宿敵變成盟友的辦法,然後發現那些失蹤星系的蹤影。吸收星光的塵土一定會升溫并輻射出更長的紅外波長,而這正是研讨人員能夠尋找的痕迹。

他們将研讨的規模約束在哈勃望遠鏡曾以極高的活絡度拍照過的三塊小小的天空區域,然後運用斯皮策太空望遠鏡,在中紅外波段對這些區域進行掃描。

斯皮策發現了63個候選星系,這便是這些來自東京大學的地輿學家最早初步懷疑這些星系存在的根據。

 

ALMA的部分天線陣列。| Kohno et al.

但是,斯皮策的缺陷是它缺少足夠高的空間分辨率來對這些星系進行承認。因此,他們又轉向了坐落智利北部沙漠中的ALMA(阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠鏡)的66個天線陣列。他們認為,亞毫米波段是調查前期國際塵土的最佳波段,因此推斷ALMA将會是觀測這類天體的最理想設備。

他們運用ALMA在較長的遠紅外光波下對每一個候選星系進行了剖析研讨,最終證明了39個候選星系。這些星系間隔我們太遠,因為紅移效應,它們所發作的萊曼發射線移出了哈勃望遠鏡的H波段。而與之前現已拍照的相片比照,也證明了哈勃望遠鏡确實是看不到這些陳腐星系的,因此,他們将這些星系歸類為“H-dropout”。

 

ALMA能看到的陳腐星系(右),而哈勃太空望遠鏡卻無法看到(左)。| Wang et al.

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地輿學家感興趣于研讨這39個星系怎樣有别于我們的銀河系。從ALMA和其他望遠鏡搜集的數據來看,新發現的這些巨大星系均勻約為1萬億個太陽質量。如果我們的太陽系身處這樣一個星系中,那麼我們在晴朗的夜晚仰望星空時,将會看到一些與銀河系形式大相徑庭的東西。

首先,夜空會更加壯麗,更大的恒星密度意味着會有更多恒星離我們很近,它們在夜空中會更大更亮。但是,許多的塵土又會導緻那些悠遠的恒星更加迷糊、更加不行見。因此映入我們眼皮的,很可能是遠處巨大的烏黑空間布景上裝點許多亮堂的恒星。

所以,這些巨大星系的發現意味着什麼?星系越大,其間心的超大質量黑洞也就越大。所以,研讨這些星系及其演化将能揭示更多關于超大質量黑洞的演化秘密。别的,巨大的星系也與暗物質的分布密切相關,它們在描寫星系的結構和分布上起着重要作用。

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這樣的觀測效果向幹流理論發起了應戰。因為沒人能想到國際前期竟能夠如此高效地制造出這麼巨大的星系。許多地輿學家認為,現有的對星系演化的建模仍必須依賴于恒星構成的近似模型,這或許正是現有理論模型的問題所在。

但因為這是首次發現這樣的星系群,因此還需求更多的探索我們才華意識到它們終究意味着什麼,未來或許還會有更多的驚喜。新的觀測效果證明了ALMA的力氣,它們在遠紅外波段确實具有前所未有的空間分辨率。

1998年,地輿學家曾用夏威夷的一個15米長的亞毫米波望遠鏡(詹姆斯克拉克麥克斯韋望遠鏡)發現了一個前期星系。但因為分辨率太之低,他們花費了14年時刻才确認了這個光源。而現在,ALMA隻需求不到2分鐘的時刻就能夠鎖定每個新的星系,真的是非常高效了。

紅外波段的地輿觀測即将帶來一場新的地輿學革新,現在,地輿學家們現已初步翹首企盼,期待着像詹姆斯韋伯太空望遠鏡(JWST)這樣的地輿台将為我們揭示一個怎樣美好的國際。

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