迄今為止觀測到的最遠的星系提供了對早期宇宙的認識

在探索宇宙的過程中，科學家們已經深入地探索了宇宙空間。他們的最終目標是確定我們宇宙中的第一個星系是什麼時候形成的，以及它們對宇宙演化的影響。最近尋找這些最早的岩層的努力已經探測到距離地球130億光年的距離，即大爆炸後約10億年。

這是一張哈勃望遠鏡拍攝的圖像，它是將光線從遙遠的星系中聚焦，其中包括早期宇宙中一些非常多塵埃的恆星形成星系(在這張圖片中幾乎是類似的藍色斑點)。圖片：NASA-Hubble

從這個意義上說：科學家現在能夠研究早期的星系是如何影響它們周圍的物質的，特別是中性原子的具體化。不幸的是大多數早期的星系都很微弱，這使得研究它們的內部變得很困難。但由於最近由一個國際天文學家團隊進行的一項調查，一個更明亮、更大的星系被發現可以清楚地看到早期星系是如何導致再電離的。

這項研究將他們的發現命名為「在z ~ 7中發現的一個巨大的塵埃恆星形成星系的ISM特性」，最近發表在《天體物理學雜誌快報》上。在德國波恩的馬克斯·普朗克射電天文學研究所的研究人員的帶領下，該團隊依靠來自南極望遠鏡(SPT)- sz的數據和阿爾瑪的數據，發現了一個在130億年前就存在的星系（大爆炸後僅僅8億年）。

在宇宙年齡的尺度中，通過先前的哈勃深場對星系的進行闡述。圖片：NASA and A. Feild (STScI)

根據宇宙學的大爆炸模型，再電離指的是在被稱為「黑暗時代」的時期之後發生的過程。這發生在大爆炸後38萬到1.5億年之間，宇宙中的大多數光子與電子和質子相互作用，這一時期的輻射是我們目前的儀器無法探測到的，因此得名。

在此之前「重組」發生了，氫和氦原子開始形成，最初電離（沒有電子束縛於原子核）這些分子在宇宙冷卻時逐漸捕獲離子，變得中性。在隨後的時期——即大爆炸之後的1.5億到10億年之間，宇宙的大規模結構開始形成。

這是一個具體化的過程，第一批恆星和類星體形成，它們的輻射對周圍的宇宙進行了具體化。因此很清楚天文學家為什麼要探測宇宙的這個時代。通過觀察第一批恆星和星系，以及它們對宇宙的影響，天文學家將會更清楚地了解到這一早期階段是如何形成我們今天所知道的宇宙的。

幸運的是研究小組發現，這一時期巨大的恆星形成星系中含有大量的塵埃。雖然在光帶中非常微弱，但這些星系發出的強輻射是亞毫米波波長，這使得他們可以使用今天的先進望遠鏡——包括南極望遠鏡(SPT)，Atacama探路者實驗(APEX)和Atacama大毫米陣列(ALMA)。

NASA的斯皮策太空望遠鏡拍攝了這張令人驚嘆的銀河系中心的紅外圖像，在那裡，一個黑洞在人馬座A那裡。圖片：NASA/JPL-Caltech

為了他們的研究，斯特拉特和韋斯依靠來自SPT的數據來探測來自早期宇宙的一系列塵埃星系。馬克斯·普朗克射電天文學研究所的瑪麗亞·斯特拉迪和阿克塞爾·維斯(分別是這項研究的主要作者和合著者)今天通過電子郵件告訴《Universe Today》：

使用了大約1毫米波長的光可以通過像SPT、APEX或ALMA這樣的mm望遠鏡觀察到。在這個波長上，光子是由塵埃的熱輻射產生的。使用這一長波長的好處是，對於一個大的紅移範圍(回溯時間)，由於距離的增加星系的變暗由紅移補償，因此觀察的強度與紅移無關。這是因為對於更高的紅移星系，一個人正在尋找本質上較短的波長(由(1 + z))，在那裡輻射更強的熱光譜，如塵埃光譜。

接下來是阿爾瑪(ALMA)的數據，該研究小組通過觀察星際介質中一氧化碳分子的紅移波長來確定星系的距離。從他們收集的所有數據中，他們可以通過觀察其譜線來限制其中一個星系spt0311 - 58的性質。在這樣做的過程中，他們確定這個星系在大爆炸之後僅僅有七億七千萬年。

由於1mm的信號強度與紅移無關(回頭看時間)，如果物體相對接近(在宇宙學的意義上)或在具體化的時代，我們就沒有一個先驗的線索，這就是為什麼我們進行了一項大型調查，通過使用ALMA的分子線來確定紅移。spt0311 - 58是這項調查中發現的最高的紅移天體，事實上是迄今為止發現的最遙遠的巨大的塵埃恆星星系。

在紫外線、可見光和紅外光中看到的哈勃超深場。圖片：NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI)

根據他們的觀察還確定spt0311 - 58的質量約為330億太陽質量，大約是銀河系(大約有50億個太陽質量)的66倍，還估計正在以每年幾千的速度形成新的恆星，他們認為這是鄰近星系的標準，也可以追溯到這個時期。

這個稀有而遙遠的天體是迄今為止研究宇宙早期的樣子以及它是如何演化的最好的候選之一。這將使天文學家和宇宙學家們能夠測試大爆炸理論的理論基礎。

這些物體對於理解星系的演化是很重要的，因為在這一來源中已經存在大量的塵埃，在大爆炸之後只有7.6億年，這意味著它是一個極其巨大的物體。事實上當宇宙還如此年輕的時候，如此巨大的星系已經存在，這就給我們對星系質量積累的理解帶來了強烈的限制。此外灰塵還需要在很短的時間內形成，這就可以對來自第一恆星群的塵埃產生更多的見解。

觀察太空的能力，以及更早的時間，導致了許多令人驚訝的發現。這些反過來又挑戰了我們關於宇宙中發生的事情的一些假設，以及什麼時候，最後他們正在幫助科學家創造一個更詳細、更完整的宇宙進化的描述，不久的將來我們甚至可以探索宇宙中最早的時刻，並在行動中觀察創造！

參考：NASA，CfA，天體物理學雜誌

來自：Universe Today

作者：Matt Williams

編譯：中子星

審校：博科園

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