早熟星系:遙遠星系將宇宙視野拉近至宇宙黎明

一個存在於大爆炸後僅6億年的星系是迄今為止觀測到的最遙遠天體


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天文學家聲稱已經識別出宇宙深處的一個星系,它比太空中任何已知的天體都更遙遠。 這個星系非常遙遠,以至於研究人員能夠看到如此微弱的天體,他們看到的是它在大約 130 億年前的樣子,即大爆炸後僅約 6 億年; 那時它發出的光芒現在才到達地球。

宇宙學家透過測量紅移來衡量宇宙距離,紅移衡量的是天體發出的光在穿越膨脹宇宙的過程中波長被拉伸了多少。 這個新天體,其名字難以記憶,叫做 UDFy-38135539,紅移值為 8.55,超過了之前的記錄保持者,2009 年探測到的一個短壽命伽馬射線暴,其紅移值約為 8.2。 兩個天體之間紅移的差異相當於更深入地窺探宇宙歷史數千萬年,使觀測天文學越來越接近宇宙的混沌誕生和嬰兒期。 此外,研究高紅移星系可以揭示再電離時代的細節,那時來自第一批恆星和星系的光線分解了星系際介質中的中性氫。

來自巴黎天文臺的馬修·萊納特和他的同事們從哈勃太空望遠鏡對一小片天空進行的超深空巡天中選擇了 UDFy-38135539,這次巡天是在 2009 年,即該軌道天文臺使用名為廣域照相機 3 (WFC3) 的新相機進行翻新後不久進行的。

WFC3 巡天識別出幾個有希望的候選者,它們可能是極其遙遠的天體,但如果沒有後續觀測,它們的真實性質仍然不清楚。 在 10 月 21 日出版的《自然》雜誌上,萊納特和他的同事報告了對該天體的確認以及對其紅移的精確估計,這要歸功於在歐洲南方天文臺的甚大望遠鏡 (VLT) 在智利進行的光譜測量。 萊納特說:“在我們獲取這個光譜之前,只有兩個資料點。” “資訊量不多。” (《大眾科學》是自然出版集團的一部分。)

透過更詳細的光譜,天文學家可以尋找萊曼α發射的特定位置,萊曼α發射與氫(宇宙中最常見的物質)中能級之間的躍遷有關,作為衡量天體光線紅移程度的標誌。 對於像 UDFy-38135539 這樣遙遠的天體,萊曼α光子已經從紫外線一直偏移,越過可見光,進入紅外線。

詹姆斯·鄧洛普,愛丁堡大學皇家天文臺的天體物理學家,指出 UDFy-38135539 是任何型別天體中光譜學確認的最遙遠天體,儘管它只是一個相當普通的星系,而不是像類星體或伽馬射線暴這樣的突發災難那樣異常明亮的天體。 與此同時,鄧洛普說,光譜中微弱的萊曼α發射的探測並非不可動搖,他與人合著了今年早些時候發表的一篇論文,該論文識別了哈勃影像中高紅移星系的候選者。 “我很高興看到這種情況發生,因為它非常接近我們的預測,”他說。 “另一方面,正如作者承認的那樣,他們確實費了很大力氣才讓自己相信這條線是真實的。”

地球大氣層吸收了許多波長的紅外光,並貢獻了自身汙染性的分子輻射,稱為氣輝,這使得地面紅外天文學成為一項棘手的業務,即使在 VLT 位於智利塞羅帕拉納爾山頂的乾旱高海拔地區也是如此。 萊納特說:“在夜空中,您會發現發射特徵,這些特徵會在您的光譜中引起強烈而狹窄的譜線。” “如果您的天體物理發射線落在其中一條線上,那麼您就註定要失敗。”

在 UDFy-38135539 推斷出的紅移值下,氫譜線恰好落在紅外光譜的安靜部分,但信噪比留下了一些懸而未決的問題。 鄧洛普說:“坦率地說,它正處於你相信的邊緣,” 他指出,如果使用太空紅外光譜儀(例如 NASA 的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST) 計劃的那種),確認會容易得多。 但該技術最早也要到 JWST 在 2014 年發射後才能使用。 鄧洛普說:“因此,您面臨著嘗試從地面上最大的望遠鏡跟蹤這些事物。”

撇開不確定性不談,鄧洛普讚揚研究人員利用當今可用的望遠鏡獲得了關於該星系的可靠資料。 鄧洛普說:“這是用世界上最好的儀器之一在這個物體上集成了兩個晚上。” “很難想象有人能用這個特定的物體做得更好。”

萊納特指出,他和他的同事們對他們的資料進行了一系列統計測試,試圖排除誤報,他希望這一過程能夠使新表徵的星系免於被丟進有爭議或撤回宣告的廢紙堆。 他說:“那些提出後來被證偽的主張的人沒有執行這些測試。” “至少如果出了問題並且被證偽了——而且我認為不會——我們可以說,‘嘿,我們已經盡力進行了所有測試。’”

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