宇宙已知最遥远星系:距地球132亿光年

据英国《每日邮报》报道,近期的一项研究揭示,宇宙中已知最遥远的一个星系距离地球有132亿光年,而且在大爆炸之后仅6亿年时就已形成。加州理工学院的天文学家多年来一直在搜寻宇宙最原始的物体,他们于近日公布了这一发现。研究者称,这个名为EGS8p7的星系已经有超过132亿年的历史,而宇宙本身的年龄大约为138亿年。他们还表示,这一发现将提供一次难得机会,去了解星系在宇宙还十分年轻时如何形成的过程。

宇宙已知最遥远星系:距地球132亿光年的照片 - 1

哈勃太空望远镜(右上图)和斯皮策太空望远镜(右下图)拍摄的EGS8p7星系图像

宇宙已知最遥远星系:距地球132亿光年的照片 - 2

尽管哈勃太空望远镜和斯皮策太空望远镜此前就发现了这个星系,但它的距离直到现在才被确定。这项工作是利用夏威夷的凯克天文台10米口径望远镜完成的,图中是该望远镜开启时的场景。

在发表于《天体物理杂志》(Astrophysical Journal Letters)的一篇论文中,美国航空航天局(NASA)的博士后研究者阿迪·兹特林(Adi Zitrin)和伦敦大学学院的天体物理学教授理查德·埃利斯(Richard Ellis,此前在加州理工学院工作了15年)描述了EGS8p7星系存在的证据。在今年早些时候,根据哈勃太空望远镜和斯皮策太空望远镜的数据,EGS8p7被认为是一个还需要进一步研究的星系。利用夏威夷凯克天文台的MOSFIRE红外摄谱仪,研究者对该星系进行了光谱分析,以确定其红移。

红移是由于多普勒效应而产生的,同样的现象发生在消防车经过的时候,警报声会越来越小。然而,对于宇宙中的发光天体,其光线会被“拉伸”。与逐渐变小的声音不同,天体的光会从实际颜色逐渐向较红的波长偏移。红移通常被用来测量星系的距离,但在观测宇宙中最遥远——同时也是最古老的——物体时,还面临着很多挑战。

在宇宙大爆炸之后的极短时间里,宇宙就像由带电粒子——电子和质子——和光子组成的浓汤。由于自由电子的存在,这些光子被分散开来,因而早期宇宙无法传播光线。在大爆炸之后约38万年时,宇宙的冷却使自由电子和质子结合形成中性氢原子,填充了宇宙空间,光线也得以在宇宙中传播。

之后,当宇宙年龄达到5亿至10亿年时,最初的星系出现,并开始电离中性的气体。今天的宇宙依然处在离子化的过程中。在再电离之前,中性氢原子云可能吸收了相当剂量来自早期星系的辐射,包括所谓的莱曼-阿尔法线(Lyman-alpha line)——受到新生恒星紫外线加热而产生的高温氢原子气体光谱印记,通常用于指示恒星的形成。

由于这种辐射的吸收,理论上我们不可能观测到来自EGS8p7星系的莱曼-阿尔法线。“如果你观察早期宇宙中的星系,那里存在着大量的中性氢原子,对这种光线来说并不是透明的,”兹特林说,“我们预计这个星系大部分的辐射会被中途空间里的氢原子吸收,但我们依然观测到了来自该星系的莱曼-阿尔法线。”

天文学家利用MOSFIRE摄谱仪发现了莱曼-阿尔法线。该仪器能够在近红外波长(0.97~2.45微米)上捕捉从恒星到遥远星系等天体发出的化学信号。埃利斯说:“此次发现中最令人惊奇的是,我们在一个明显黯淡的星系中发现了莱曼-阿尔法线,而红移为8.68,在对应的时间中,宇宙应该充满了具有吸收能力的氢原子云。”此项研究之前,天文学家探测到的最遥远星系的红移为7.73。

研究者称,之所以在存在氢原子云的情况下还可以观察到该星系,原因可能是氢原子的再离子化过程并非始终如一。“来自多个观测的证据显示,再离子化的过程很可能是不均匀的,”兹特林说,“有些物体如此明亮,以致于它们形成了一个离子化的氢原子气泡,但这一过程并非在所有方向上都是连贯的。”

“我们观测到的这个星系,EGS8p7,异常地明亮,很可能是许多异常高温的恒星为其提供了能量,而且它还可能具有某些特殊的性质,使大型离子化氢原子气泡的产生时间比当时典型的星系要早很多,”参与该研究的加州理工学院研究生斯雷欧·贝利(Sirio Belli)说道。

兹特林补充道:“我们目前正在对发现这一星系,以及观察到其辐射的确切概率进行充分计算,以了解是否需要重新修正再离子化的时间线。这是回答宇宙演化问题的关键之一。”

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