12博官网-照亮宇宙的第一缕光从何而来?早期星系样本揭秘

本文摘要:宇宙大爆炸后大约30万年,转入了黑暗时代。

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宇宙大爆炸后大约30万年,转入了黑暗时代。在那漫长的日子里,时间完全是凝结的,没恒星,没星系,整个宇宙被中性氢所充满著。再度照耀宇宙的第一缕光从何而来?宇宙何时开始显得暗淡?资料图:太空中国科技大学王俊贤教授和中科院上海天文台郑振亚研究员及其合作者近日观测取得了一个宇宙早期(大爆炸后大约8亿年,大约为宇宙当前年龄6%时)的星系样本,并由此找到当时的宇宙中星际介质里氢的电离比例大约50%。

正如黎明之前的黑暗,在这个黑暗时代末期,宇宙第一代恒星和星系开始构成,它们收到的紫外光电磁辐射电离了周围的中性氢,使得整个宇宙开始一点点暗淡一起。近日,这一突破性进展公开发表在国际一流天体物理期刊《天体物理快报》上。美国国家光学天文台当地时间7月11日,以“很远的星系揭露宇宙黑暗时代末期的面纱”为题专门撰文报导了此项研究突破。一个极具挑战性的问题再行来看一下宇宙的前世今生吧。

约138亿年以前,我们的宇宙构成于一次大爆炸,当时的温度超过10亿摄氏度以上。氢元素和氦元素,就是这个时候产生的。大爆炸确认了氢和氦元素各自的比例,氢元素大约占到整体数目的90%左右(质量上占到75%)。

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想象一下,整个宇宙当时就是一锅冷粥,氢元素正处于电离状态,那个时候的宇宙是暗淡的。而随着温度上升,宇宙慢慢冷下来,曾多次正处于电离状态的氢元素变为了中性氢元素,它可以吸取宇宙中的紫外光,从而束缚寄居这些光子,使其无法自如抵达远方。宇宙大爆炸后大约30万年,整个宇宙陷于了一片黑暗之中。

然而,在这宇宙的黑暗时期,在引力起到下,宇宙的结构开始逐步形成:氢元素构成了第一代恒星和星系,第一代恒星的质量有可能十分大,相等于几百个太阳。这些恒星核聚变时产生了大量的紫外光子,产生了许多像气泡一样的电离冷水。随着电离作用减缓,在某个类似阶段,整个宇宙的星际介质再度变为电离环境,从而完结了宇宙的黑暗时代。

这个过程被称作“再行电离”。虽然天文学家告诉其发生于宇宙大爆炸后约3亿年至10亿年之间,宇宙第一代星系在其中起着了明显起到,但确认再行电离的精细过程以及第一代星系何时构成仍然是天体物理前沿一个极具挑战性的问题。

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宇宙8亿年,“大雾”开始减弱假设宇宙大爆炸时的一个光子,在岁月的长河中,仍然不间断地跳跃着,科学家们如果需要理解出有它所装载的信息,就能看出宇宙早期的样子。我们现在可以看见的宇宙,更远的信号是来自宇宙微波背景电磁辐射。二十世纪六十年代初,美国两位科学家为改良卫星通讯,创建了高灵敏度的号角式接管天线系统。

为了减少噪音,他们甚至清理了天线上的鸟粪,但仍然有避免忘了的背景噪声。这正是宇宙微波背景电磁辐射导致的,这一找到为他们夺得了1978年诺贝尔物理学奖。尽管宇宙微波背景电磁辐射是研究宇宙再行电离时期的一种最重要方法,但这种方法有局限,一般不会融合宇宙早期星系的研究,如对那个类似时段的类星体、伽马爆和恒星构成星系的研究,来取得再行电离的进化历史。

然而宇宙早期类星体的数目非常少,而早期宇宙伽马轰又很难捕捉到,故而早期宇宙的恒星构成星系现在是研究宇宙再行电离的热点。这些宇宙早期天体所电磁辐射的莱曼阿尔法光子,仍然是科学家们观测宇宙再行电离的关键手段,因为这一发射线光子不会被宇宙间致密的中性氢原子衍射。如果说宇宙整体的中性氢环境就像一场大雾,这些早期宇宙中的莱曼阿尔法星系就像大雾中的车灯,被遮盖得有些模糊不清。

一旦周围环境开始电离,大雾不会慢慢消退,等到氢元素几乎电离,大雾也就消失了。“宇宙再行电离时期的莱曼阿尔法星系”(英文简写LAGER),是中国科学技术大学王俊贤教授发动的组织的一个国际研究项目,由中国、美国和智利三国天文学家参与,中科院首度行动“百人计划”青年俊才候选人、上海天文台郑振亚研究员是该项目的联合组织者。宇宙年龄8亿年处是宇宙再行电离研究的最前沿,由于观测上的挑战,国际上对这一宇宙年龄及更加很远的莱曼阿尔法星系的类似于搜索工作,在过去10年间进展十分较慢。LAGER 在第一个目标天区观测到了宇宙年龄在8亿年处的23事例莱曼阿尔法升空线星系。

这批样本也是该宇宙年龄处取得的仅次于星系样本。分析找到,莱曼阿尔法星系的数目在宇宙年龄10亿年处大约是宇宙年龄8亿年处的4倍。

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“这指出宇宙再行电离的过程始自更加早期,在宇宙年龄8亿年处依然未完成,大约正处于一半电离一半电中性的状态,并且所谓均匀分布的。”论文第一作者郑振亚研究员说道。

这个结果意味著,宇宙在它当前年龄将近6%处,这场“大雾”早已开始减弱(50%电离);相当大比例的早期宇宙第一代星系则构成于宇宙年龄8亿年之前。

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