「再電離」之謎的新線索：來自遙遠星系的第一束光

這張天空深場視圖（deep-field view）由NASA哈勃望遠鏡和斯皮策太空望遠鏡拍攝，圖中主要是星系，包括一些非常微弱、遙遠的星系 （紅色圈出）。右下方插圖顯示的是在長時間觀測期間從其中一個遙遠星系收集的光。

Credits: NASA/JPL-Caltech/ESA/Spitzer/P. Oesch/S. De Barros/I.Labbe

NASA斯皮策太空望遠鏡（Spitzer Space Telescope）透露，宇宙中一些最早的星系比預期的要亮。額外的光來源於星系的副產品——大量的電離輻射（ionizing radiation）。這一發現提供了引發「再電離時期（Epoch of Reionization）」的線索，EoR是宇宙演化過程中的一個重要事件，此後宇宙從不透明的「混沌」變為今日所見的滿天繁星。

在一項新研究中，研究人員報告了一些最早期星系的觀測結果，它們是在大爆炸後不到10億年（或130多億年前）形成的第一波星系。數據顯示，在一些特定波長的紅外光中，這些星系比科學家預測的要亮得多。這項研究第一個證實了此現象：這一時期的大量星系樣本都具有超過預期的亮度，表明這些「亮度過高」不是特殊情況。

沒有人知道我們宇宙中的第一批恆星是什麼時候形成的。但是有證據表明，在大爆炸後大約1億到2億年之間，宇宙中充滿了中性氫氣（neutral hydrogen gas），它們可能剛剛開始凝聚成恆星，然後開始形成第一個星系。在大爆炸後約10億年，宇宙變成閃耀的星空。中性氫氣的電子被有足夠能量的光子剝離（此過程稱為電離），「再電離時期」記錄了宇宙從充滿中性氫轉變為充滿電離氫（ionized hydrogen）的階段。

在整個宇宙的轉變之前，波長較長的光，比如無線電波（radio waves）和可見光（visible light），基本都能不受阻礙地穿越宇宙。但波長較短的光，包括紫外線（ultraviolet light）、X射線（ X-rays）、和伽馬射線（gamma rays），會被中性氫原子阻止。光子的能量與波長成反比，所以波長較短的光能量高。當具有大於氫原子電離能（ionization energy）的光子撞到無處不在的氫原子時，這些碰撞會剝離中性氫原子的電子，使它們電離。

這張概念圖描繪了宇宙中最早星系可能的樣子。高頻率且猛烈的恆星形成與恆星死亡會照亮恆星之間的氣體，使得星系大部分不透明、沒有清晰的結構。

Credits: James Josephides (Swinburne Astronomy Productions)

但什麼能產生足夠的電離輻射來影響宇宙中的所有氫呢？是單獨的恆星？或是巨大的星系？如果其中一個是「罪魁禍首」，那麼說明這些早期宇宙的殖民者與大多數現代恆星和星系不同，後者通常不釋放大量的電離輻射。或許其他東西引起了這一事件，例如類星體（quasars），它們是中心非常明亮的星系，有著大量物質驅動的超大質量黑洞。

「這是觀測宇宙學中最大的開放式問題之一，」該研究的第一作者、瑞士日內瓦大學的博士後研究員Stephane De Barros說，「我們知道它發生了，但是是什麼導致了它？這些新發現可能是一個很大的線索。」

追光

為了回到「再電離時期」即將結束之前的時代，斯皮策分別盯著兩個天空區域超過200小時，收集了「走了」超過130億年才到我們這兒的光。

作為斯皮策有史以來進行的最長的科學觀測，這是GREATS觀測計劃的一部分。GREATS是斯皮策GOODS Re-ionization Era wide-Area Treasury的簡稱（GOODS是Great Observatories Origins Deep Survey，大型天文台宇宙起源深空場巡天的縮寫）。該研究同時使用了NASA哈勃太空望遠鏡的檔案數據，研究結果發表在英國皇家天文學會（Royal Astronomical Society）月刊上。

通過斯皮策這些「超深」的觀測，天文學家團隊觀測了135個遙遠的星系，發現它們在兩個特定波長的紅外光中都特別明亮，這些紅外光是由電離輻射與星系內的氫氣和氧氣相互作用產生的。這意味著這些星系主要由年輕的大質量恆星組成，而這些恆星的主要成分是氫（H）和氦（He）。與普通現代星系中發現的恆星相比，它們含有非常少量的「重」元素（比如氮、碳、氧，以及所有比氫和氦重的元素）。

這些恆星不是宇宙中形成的第一波恆星（僅由氫和氦組成），但它們仍是早期恆星的成員。「再電離時期」不是一個瞬間事件，雖然新研究結果還不足以揭示真相，但它確實提供了一些新細節，有關於宇宙如何在這個階段演化以及過渡是如何完成的。

「我們沒想到，斯皮策還沒呼拉圈兒大的鏡面能夠看到『黎明時刻』的星系，」 噴氣推進實驗室（位於美國加利福尼亞州帕薩迪納市）的斯皮策項目科學家Michael Werner說道，「但大自然充滿驚喜，這些早期星系的意外亮度，加上斯皮策的卓越表現，使我們小而強大的天文台發現了這些星系。」

NASA的詹姆斯韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）將於2021年發射，它的紅外線覆蓋範圍將超出斯皮策。此外，斯皮策的主鏡直徑只有85厘米，而韋伯有6.5米，大約是斯皮策的7.5倍，這使韋伯能夠更詳細地研究這些星系。事實上，韋伯將試圖探測來自宇宙中第一批恆星和星系的光。新的研究表明，由於它們在這些紅外波長中的亮度，對於韋伯來說，研究斯皮策觀測到的星系比之前認為的更容易。

「斯皮策的這些結果必定是解決宇宙再電離之謎的又一步，」日內瓦大學助理教授、該研究的共同作者Pascal Oesch說，「我們現在知道，這些早期星系的物質條件與現在典型的星系非常不同。韋伯的目的就是告訴我們詳細的原因。」

JPL負責管理NASA科學任務理事會的斯皮策太空望遠鏡任務。加州理工學院的斯皮策科學中心負責科學運營。洛克希德馬丁太空系統（位於科羅拉多州利特爾頓）負責太空運營。數據存儲在加州理工學院IPAC的紅外科學檔案。加州理工學院為NASA管理JPL。

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參見

https://www.nasa.gov/feature/jpl/new-clues-about-how-ancient-galaxies-lit-up-the-universe

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