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“巨无霸气泡”或能解开星系演化之谜
2020/03/31 21:39  新华报业网  

  交汇点讯 3月9日,《自然天文学》杂志发表了由中国科学院紫金山天文台、美国犹他大学等14家单位组成的国际合作团队的最新研究成果,揭示了宇宙中神秘的莱曼-阿尔法团块(Lyman-alpha Blobs; LABs)从何而来。对这个大小数倍于银河系、辐射能量相当于几十亿个太阳的“巨无霸气泡”的研究,或能部分解开星系演化之谜。

  百亿光年外的“巨无霸气泡”有了新发现

  想要揭开“巨无霸气泡”莱曼-阿尔法团块的身世之谜,就不得不先理一理它和莱曼-阿尔法辐射之间的关系。

  宇宙中充满了氢元素。当中性氢原子受到某种能量的冲击,电子从第一激发态的轨道跃迁到最内层的轨道,会发出有特定波长的紫外光子,被称为莱曼-阿尔法(Lyα)辐射。因为这种紫外光会被地球大气吸收,所以是地面望远镜的观测“盲区”。

  但是,从遥远的早期宇宙中发出的莱曼-阿尔法发射线可以借宇宙的膨胀把波长拉长,变身为七彩的可见光,穿越大气层的阻碍,从而成为天文学家研究早期宇宙的“密钥”。

  20年前,天文学家在上百亿光年外搜寻能够发射莱曼-阿尔法辐射的早期星系时,偶然发现了一类巨型原子氢气体云团。它们绵延数十万光年,大小是银河系的数倍,像漂浮在宇宙中的“巨无霸气泡”。这种巨型的气体云团因此得名莱曼-阿尔法团块,或者莱曼-阿尔法斑点。

  天文学家发现,这种“巨无霸气泡”里莱曼-阿尔法辐射的能量相当于几十亿个太阳!这背后必然有一个非常强大的能量来源。那么,点亮如此巨大的云团所需要的能量从哪里来?

  理论模拟给出了一些可能的能源:星系中的恒星形成、星系中心的黑洞、来自星系外部的冷气流等,但是需要观测证据。

  在《自然‧天文学》发表的这项研究成果给出了这样的证据:莱曼-阿尔法团块LAB-6中心产生恒星的星系在为这一超大云团供能。

  LAB-6周围天区的三色图 图片由被采访者提供

  该研究第一作者、中国科学院紫金山天文台研究员敖宜平说,他们对107亿年前从天鹤座方向的LAB-6发出的莱曼-阿尔法、一氧化碳分子和碳原子等发射谱线进行的综合研究表明,云团中的星系际原子氢气体正在向中心下落,且莱曼-阿尔法辐射的能源来自于其中心正在形成恒星的原始星系。

  “这次的发现还为我们理解星系际气体下落到星系的‘冷气流’作为莱曼-阿尔法团块能源之一提供了明确的观测证据。”敖宜平说。

  盯上这只“巨无霸”有助研究星系形成及演化

  此次研究的莱曼-阿尔法团块为LAB-6,其大小相当于数个银河系,辐射能量相当于几十亿个太阳。敖宜平和合作者是怎样盯上这只“巨无霸”的?

  “十年前,我们和法国合作者在一个选定的天区中开展一些研究。这个天区中碰巧包含4个莱曼-阿尔法团块。这让人没法不好奇,于是就有了之后的一系列观测研究。”敖宜平说,他们通过空间红外望远镜的公开释放数据,从中选出了两个内部有加热源,也就是内部可能存在原始星系的莱曼-阿尔法团块进行观测。

  接着,他们用位于智利的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波干涉阵(ALMA)搜寻原子和分子谱线,幸运地在LAB-6中取得成功。然后他们锁定LAB-6,利用欧洲南方天文台的甚大望远镜(VLT)精确测量LAB-6的莱曼-阿尔法发射谱线轮廓。

  “ALMA具有空前的高分辨率和高灵敏度,VLT的高精度莱曼α谱线观测也很重要,两台顶级设备和先进的理论模拟的完美结合,才让我们有机会敲定气体下落的明确证据。”谈及成就这次新发现的关键,敖宜平认为这是科技不断发展带来的“幸运”。

  “团块里气体的运动,可以告诉我们星系的状态。下落气体的观测有助揭示莱曼-阿尔法辐射的可能起源。”该研究合作者、美国犹他大学天文系副教授郑政说。他们发现从这一团块发出的莱曼-阿尔法辐射波长比预期要更短一点,揭示了下落气体的存在,并利用模型对光谱数据进行了分析,研究了气体的运动。

  这些发现为产星星系作为莱曼-阿尔法辐射的主要贡献者提供了有力证据, 而下落气体则塑造了莱曼-阿尔法发射线的光谱轮廓。敖宜平说:“宇宙中普遍存在的高热气体由于辐射会冷却从而很可能会流向引力势阱的中心,成为星系生长的原料或形成新一代的星系。如果能够进一步证实下落气体具有一定的普遍性,必然会对星系的形成和演化过程提供观测上的限制条件。”

  星系演化或能讲述宇宙如何走出“暗黑时代”

  宇宙“巨无霸气泡”的身世算是查清楚了吗?

  “远没有,还得继续查下去!”敖宜平说,首先,加热源还存在其他的可能性,比如超大质量黑洞也能产生类似的莱曼-阿尔法辐射,不过,确定黑洞的存在,需要探测到X射线发射;其次,目前在莱曼-阿尔法团块中观测到气体下落的案例还非常少,需要未来更多样本的观测,并通过构建更复杂、更接近实际情况的模型作细致分析,以确定冷气流是否普遍存在。

  “我们又有了新的奥秘去探索——我们预期产星星系周围有下落气体的存在,这将为其提供气体原料,但是LAB-6是目前唯一的在其中找到了有明显气体下落证据的团块。为什么如此罕见呢?”郑政说。

  敖宜平告诉记者,天文学的研究范围很广,他们的研究只是其中的一个分支。正如浩瀚无垠的宇宙一样,仍有无数个秘密等着人类去发现。

  宇宙诞生于137亿年前的大爆炸,在此后约30万年,整个宇宙处于一片漆黑的混沌之中,直到数亿年后,终于出现了第一个星系。

  而星系到底如何形成,目前并没有一个确定的说法。敖宜平介绍,目前被大多数人所认同的说法是,星系产生于原初扰动下形成的宇宙大尺度结构中,星系形成的模型主要有两类:一是云整体塌缩模型, 一大团的气体云快速塌缩形成多个星系,大质量的早型星系形成于宇宙早期;二是等级并合形成模型, 大质量的早型星系是由小质量星系经过多次并合形成。“当前,这两种模型都有各自的观测证据来支持,并没有定论,虽然更多的证据支持后者。”

  不过,与太阳系所在的银河系相比,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,那么原初星系或许只是一个点。

  总的来说,与这些星系“长老”们相比,太阳系中的太阳诞生于50亿年前,而地球则是诞生于46亿年前,实在是太过于年轻。

  不过,人类观察宇宙,也正是在观察自己。纵然沧海一粟,也想知道大海的模样与第一滴水从何而来。

  交汇点记者 蔡姝雯 叶真

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责编:郑亚群

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