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宇宙何時“醒來”?古老星系或將揭示宇宙轉變過程

http://finance.sina.com   2020年02月10日 16:48   北京新浪網

通過對遙遠而古老的星系進行觀測,科學家或許可以瞭解大部分宇宙是如何回到等離子體狀態的通過對遙遠而古老的星系進行觀測,科學家或許可以瞭解大部分宇宙是如何回到等離子體狀態的

  新浪科技訊 北京時間2月11日消息,對我們的宇宙而言,第一批恆星的“醒來”是一個重要時刻,但在科學家看來,這個時刻也異常難以捉摸。

  在一項新的研究中,一組天文學家發現了一些迄今爲止所見過的最古老的星系。根據研究人員的說法,當宇宙只有6.8億年的時候,這些天體就已經完全形成了。研究人員還發現了證據,表明這些星系當時向周圍釋放了大量的紫外線輻射。

  那次輻射釋放形成了巨大的氣泡,中性氣體在氣泡中被激發和電離,爲天文學家提供了第一張直接描繪宇宙中一個重要轉變時期的圖像。

  黎明之前

  很久以前,宇宙中還沒有恆星閃耀。在宇宙形成初期,一切物質都很均勻,從一個地方到另一個地方的平均密度都差不多。這種均勻、中性的宇宙,與宇宙誕生的最初階段相比有很大的不同。在更早時期,比如大爆炸後的最初幾十萬年,我們的宇宙是如此的炙熱和稠密,以至於呈現爲等離子體狀態;不斷的緊密碰撞也使原子裂解成電子和原子核。

  然而,當宇宙成長到38萬年時,所有的混亂都結束了。那時,物質足夠分散,溫度足夠低,使電子可以與原子核結合,形成最初的氫原子和氦原子。這一事件的發生釋放了大量的輻射,一直延續到了今天,並且備受關注,這就是宇宙微波背景輻射。

  數百萬年以來,宇宙一直保持着這種平靜、中性的狀態。但隨着宇宙的膨脹和冷卻,微小的“種子”開始形成,一些氣體的密度由於某種偶然原因而比周圍的環境稍微大一些。這種微小的密度增強使它們具有了微小的引力邊緣,將周圍的物質吸引過來。隨着氣體團的增長,它們有了更大的引力影響,可以吸收更多的物質。在漫長的歲月中,第一批恆星和星系就在寂靜、黑暗、中性的宇宙中一點一點地成長。

  宇宙的“甦醒”

  我們不知道第一批恆星在什麼時候形成,但可以確定的是,它們是以一種巨大而奇妙的方式形成的。隨着它們的形成,宇宙也不再中性,而是發生了電離。

  我們每天接觸的大部分物質都是由完整的原子構成的,而所有的原子核都被電子殼層包圍着。化學反應就如同美妙而複雜的舞蹈,不同原子的電子殼層在其中快速地旋轉並相互結合。但實際上,這種情況在宇宙中並不常見。到目前爲止,宇宙中絕大多數物質都是等離子體,就和很久很久以前一樣,電子和原子核自由地獨立存在。太陽是等離子體,其他恆星也是等離子體;星雲由等離子體組成,而恆星和星雲之間的所有物質?也是等離子體。

  當宇宙成長到38萬年時,從等離子體變成了中性氣體。今天,在130億年之後,大部分的宇宙又變成了等離子體。一定是有什麼原因將大部分宇宙中的原子分裂了。考慮到我們已經對等離子體宇宙進行了儘可能的觀察,追溯到了最早出現在宇宙舞臺上的一些恆星和星系,因此無論這種“再電離”的原因是什麼,這一過程肯定在很早以前就發生了。

  天文學家認爲,第一代恆星(以及它們作爲超新星爆發並死亡的過程)釋放出的極端紫外輻射使宇宙重新變成了等離子體。但令人沮喪的是,我們不知道這一變化發生的確切時間。即使是目前最強大的望遠鏡,以及最深入的勘測技術,也沒有能力回望那麼久遠的宇宙。我們可以清楚地看到宇宙微波背景輻射,也可以清楚地看到今天的宇宙,但中間部分直到現在仍是一個未解之謎。

  我們不知道第一批恆星何時出現——天文學家將該事件稱爲“宇宙黎明”——我們也不知道隨後的“再電離時代”何時開始。

  等離子體泡

  這種情況已經開始改變。天文學家正在尋找更加古老的星系,對它們周圍的氣體進行研究,試圖瞭解宇宙成長和演化中這個重要的時期。最近,一個國際研究小組發現了三個星系,它們極其微弱,也小得令人難以置信,並且距離我們異常遙遠。

  當我們的宇宙只有6.8億年的時候,這些小星系已經完全形成並開始運作了。這並不奇怪,因爲此前也發現過同樣古老的星系。但在這項研究中,研究人員獲得了一個新發現:通過檢測這三個星系附近環境所發出的輻射,他們發現這些星系已經開始向它們的周圍吹出電離的等離子體泡。

  換句話說,從這些星系中釋放的輻射已經開始改變周圍的宇宙。這是第一個表明再電離時期仍在繼續的明確跡象。儘管天文學家推測宇宙在十億年時已經完成了再電離,但沒有人想到這一過程會發生得如此之早。

  這些星系是即將發射(預計在2021年3月30日)的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的絕佳目標,該望遠鏡正是爲研究宇宙歷史的這一時期而專門設計的。如果研究結果成立,並且未來能發現更多再電離的例子,那我們或許最終能夠從宇宙最古老、劇烈的歷史中理解這一轉變時期。關於該研究的詳細內容已於1月7日發表在預印本論文網站arXiv.org上。(任天)

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