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“绿豌豆”带来130亿年前宇宙再电离图景

来源:科技日报2019-09-10 09:31

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  由天文爱好者发现的“绿豌豆”星系,正在帮助专业天文学家揭开宇宙黑暗时期的奥秘。

  近日,瑞士天文学家安妮·维汉研究发现,“绿豌豆”星系可能会发射出大量电离光子。这种电离光子就像魔法棒,能使宇宙中的中性氢(不带电)变成电离氢(带电)。由于“绿豌豆”星系与宇宙婴儿期的原初星系十分相似,天文学家推测宇宙再电离时期可能与原初星系有关。为了表彰安妮的研究,9月16日,瑞士国家科学基金会将授予她玛丽·海姆-沃格林奖。

  宇宙再电离是什么?“绿豌豆”能揭示宇宙早期历史的奥秘吗?

  整个宇宙近乎完全处于电离状态

  大约140亿年前,宇宙发生了大爆炸,之后随着膨胀,宇宙逐渐冷却下来。当降低到某一临界温度后,宇宙中的电子和质子会复合形成氢原子,拉开了宇宙黑暗时代的帷幕。在这个时期,整个宇宙中没有恒星也没有星系,到处都充满了中性氢原子,这一状态持续了几亿年。

  虽然这个时期的宇宙寒冷、没有光,但大量的氢原子开始在引力作用下不断塌缩,形成了最初的原恒星。随着第一代恒星诞生,宇宙黑暗时代谢幕,逐渐进入黎明时期。

  第一代恒星和星系形成后,天文学家观察到宇宙中的中性氢重新被大量电离,于是他们推测,第一代的恒星和星系发射出了大量电离光子,使其周围的中性氢发生电离。这一过程,就是宇宙再电离时期。

  “在宇宙的不同时期,氢的总体占比基本不变,但在宇宙再电离时期,中性氢和电离氢的比例随着时间流逝而发生变化。”中国科学院上海天文台研究员郑振亚长期从事宇宙再电离时期的观测研究,他在接受科技日报记者采访时表示,“宇宙再电离结束后一直到当前,宇宙近乎百分之百处于电离的状态。这是因为宇宙的紫外电离光子数目多、截面大,很多恒星和星系一直在放出紫外光子,紫外光子的产生大于它的消耗。所以,只要紫外光子足够多,就能使中性氢保持为电离状态。”郑振亚解释道。

  中性氢和电离氢的差异可以借助一种特别的发射线来识别,也就是“莱曼α辐射”,它是氢原子第一激发态到基态能级跃迁对应的辐射。郑振亚告诉记者,中性氢在转化成电离氢的过程中,有超过60%的概率会释放出莱曼α辐射,所以天文学家们可以借助莱曼α辐射的发射或吸收特征来了解宇宙中电离氢和中性氢的具体比例。

  天文学爱好者带来的重大发现

  通常,天文学家会结合宇宙微波背景辐射研究和宇宙早期星系研究,来揭示宇宙再电离的演化历史。

  这一次,安妮在宇宙再电离研究方面的突破离不开“绿豌豆”星系,这是天文爱好者在2009年发现的一批微型星系,距离地球15—50亿光年之遥。它们的体积不足银河系的十分之一,质量不足银河系的百分之一,但在这些星系内形成恒星的速度却要快10倍。

  郑振亚告诉记者:“实际上,‘绿豌豆’星系诞生在宇宙大爆炸100多亿年以后,它们并不是宇宙最早的星系。但由于‘绿豌豆’星系很矮、很小且致密,我们猜测它们与宇宙原初星系类似。”

  利用哈勃太空望远镜的观测数据,安妮及其团队证明“绿豌豆”星系确实会发射大量电离光子。专家表示,如果“绿豌豆”类似于原初星系,那么很可能是超过130亿年前的原初星系触发了宇宙再电离。

  郑振亚告诉记者,与银河系相比,原初星系质量比较小、紧凑致密,没有像银河系这样的旋臂存在。如果说,银河系看起来是个盘,那么原初星系就是一个点。

  受到观测水平限制,天文学家能搜集到的原初星系样本很少。2017年,郑振亚及其研究团队获得了一个宇宙早期(大爆炸后约8亿年)的星系样本,并由此发现当时的宇宙中星际介质里氢的电离比例约50%。“探索更早期的宇宙,揭开宇宙再电离的奥秘,有助于了解宇宙的整体演化过程,并理解宇宙中恒星和星系的形成与演化。”郑振亚说。代小佩

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