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早期宇宙演化亮出新線索──「綠豌豆」上菜!

posted Jan 17, 2016, 5:36 PM by Lauren Huang   [ updated Apr 11, 2016, 1:47 AM ]

還記得那位因參加星系動物園計畫而發現新型天體的荷蘭高中生物老師 哈妮‧ 馮 ‧ 阿科爾(Hanny van Arkel)嗎?她在2007年發現的綠豌豆星系不斷獲得天文學家關注研究,以下是其中一個最新的重要發展。

原新聞連結:http://www.sciencedaily.com/releases/2016/01/160113195058.htm

由哈伯望遠鏡取得J0925 + 1403星系的圖像,其結構緻密看起來像顆綠豌豆仁(green pea)。該星系直徑6000光年,大小只有銀河系的1/20。 Credit: NASA           

新生矮星系可能解釋130億年前那次宇宙突然升温的原因是什麼。天文學家最新成果,似乎開通了一條能更了解宇宙早期歷史的筆直大路。

大霹靂後數十萬年,宇宙極熱且極緻密,這使得物質電離、脫離中性。到了大霹靂後約38萬年,因宇宙膨脹了,溫度下降,物質也回到中性並開始形成宇宙的第一批結構,也就是「氫」和「氦」的氣體雲。重力讓氣體雲質量累積,又塌縮,形成第一代恆星以及星系。到了大霹靂後約10億年,也就是距今約130億年前,宇宙發生另一次重要變化──宇宙再度加熱,而宇宙中含量最豐富的氫元素也再次電離,這重演了宇宙在大霹靂後不久時發生過的那件事,這第二次,天文學家稱為「宇宙再電離」,但這件事情到底怎麼發生的,還沒辦法確定。

長久以來,天文學家所持看法認為,這場劇烈變化是星系主導的。

含美國維吉尼亞大學天文教授Trinh Thuan在內、成員有烏克蘭人、捷克、瑞士、法國和德國人的一個國際團隊,近日在《自然》期刊上發表他們的論文,該團隊對於前述看法的大量最新驗證已經出爐。

根據哈伯太空望遠鏡提供紫外光譜儀的資料,這組人發現了一個鄰近的緻密矮星系發射出能量足以電離原子的大量光子(又稱電離光子,ionizing photon)至「星系際介質」中(「星系際介質」即「在星系間的空間」)。科學家認為,為什麼「宇宙再電離」,可能那些光子可以解釋。

Trinh Thuan 表示,他們發現的這個鄰近星系,差不多就像造成早期宇宙再電離的那些矮星系之『分身』一樣,差別是,這個星系距離我們比較近一點。這項發現具有重要意義是因為,它指引出該朝哪個方向去搜尋再電離現象。再電離現象發生於早期正在成形中的宇宙;早期宇宙演化成今日宇宙。     

早期宇宙的普通物質主要是氣體。恆星和星團都誕生於氣體雲,形成第一代星系。這些恆星發出的紫外輻射包含大量電離光子,因此,科學家們一直把宇宙再電離的主要成因指向星系。然而,要發生再電離現象,星系必須把這些光子噴入星系際介質裡,如果沒有噴出來,電離光子很容易被星系裡的氣體和塵埃吸收,也不能從星系裡離家出走。如此,雖經20年積極搜索,科學家所找到之星系所發出電離輻射量始終太少,不足以澄清造成宇宙再電離的機制為何,這道謎也只好繼續深鎖。

為了解決這個問題,這支國際團隊提議要觀察「綠豌豆」星系。「綠豌豆」星系在2007年首度獲得發現,它代表在鄰近宇宙中一種特殊而罕見的星系--因為在感光器裡呈現綠色,結構緻密,呈圓形,像豌豆仁,因而得到「綠豌豆」星系之名。這類星系特色是,其恆星爆炸或其恆星風威力強大──強到足以把電離光子給噴射出來。

團隊成員在SDSS數位巡天資料庫裡共超過一百萬個星系當中,發現了大約5000個星系,是初步符合他們感興趣的標準:星系結構緻密、發出強烈紫外輻射;最後,他們選了其中5個,用哈伯太空望遠鏡追蹤觀測。

借助哈伯望遠鏡的紫外輻射偵測,該團隊發現,其中有一個綠豌豆星系,也就是距離地球30億光年遠的J0925 + 1403,呈現強度前所未見的電離光子噴發——達到大約8%的噴發(先前偵測到的頂多只有3%)。這是一項重大突破,並且顯示綠豌豆星系的確可以解釋宇宙再電離現象,換言之,解釋宇宙再電離現象最常見的一種假說,終於獲得驗證。

研究計畫成員Trinh Thuan解釋,下一步他們打算再透過哈伯望遠鏡繼續觀測,將更可以詳細了解電離光子是如何從這種綠碗豆星系被噴發出來,甚或更精確可分辨得知,是何種類型的星系驅動了宇宙再電離。研究團隊形容這些觀測對「重回宇宙早期現場」的學術之旅意義重大,也幫哈伯望遠鏡的繼任者--預計2018年將發射升空的韋伯太空望遠鏡--奠定基礎。對天文學而言,無論是對第一代星系的更完整論述,或是說清楚宇宙再電離幕後推手到底是誰等等的研究題目,都將因受惠於這次觀測成果,可望有所突破。(曾耀寰博士審校,Lauren譯)

Journal Reference:

  1. Y. I. Izotov, I. Orlitová, D. Schaerer, T. X. Thuan, A. Verhamme, N. G. Guseva, G. Worseck. Eight per cent leakage of Lyman continuum photons from a compact, star-forming dwarf galaxy. Nature, 2016; 529 (7585): 178 DOI: 10.1038/nature16456

相關影音連結:https://www.youtube.com/watch?v=p0aTfcXpOEs 

哈尼天體發現者TEDx演講

中文字幕檔可參考:https://goo.gl/21olxF (是 .srt 檔,以記事本軟體可開啟)
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