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80億光年外,有個恒星孵化場

2019-10-08 科技日報 代小佩
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  恒星星團是在巨分子云中經由引力塌縮形成的。分子云是星系中大量冰冷而稠密的氣體。這些分子云在銀河系和鄰近星系中的物理特性早已為人所知。那么,在距離超過80億光年之遙的星系中,分子云是否和近鄰星系相同?

  人們早先認為巨分子云可能在所有星系中都具有相似的性質,但一項新的研究結果卻挑戰了這一結論。一個國際團隊首次在名為宇宙蛇的遙遠星系中觀察到了巨分子云,并通過分析獲得這些巨分子云相關的一些物理性質,發現它們的物理性質和近鄰星系的巨分子云大不相同。日前,這項研究發表在《自然·天文》雜志。

  發現完全不同的巨分子云

  宇宙蛇星系距離我們超過80億光年,誕生時的宇宙年齡只有現在的三分之一,被認為是銀河系這類大星系的前身星系。天文學家以90光年的空前分辨率探測到了其中許多單個的巨分子云。

  “以前我們只能在距離很近的星系中觀測到類似尺度的巨分子云。”中科院國家天文臺星際介質及恒星形成團組研究員吳京文接受科技日報記者采訪時表示,“這項研究結果的重要意義在于,該國際團隊運用阿塔卡瑪亞大毫米/亞毫米波射電望遠鏡陣列(ALMA)和引力透鏡效應,首次探測并分辨出了非常遙遠星系中的巨分子云。”

  在此基礎上,該團隊計算出了宇宙蛇中巨分子云的相關物理性質。研究發現,遙遠星系中巨分子云的質量、密度和內部湍流比鄰近星系中的高10至100倍。此外,遙遠星系產生恒星的數量更多、效率更高,和距離我們7500光年以外的船底星云一樣,宇宙蛇星系中的這些巨分子云可以說是“恒星孵化場”。

  “盡管遙遠星系與鄰近星系的巨分子云存在較大差異,這項研究的結果仍然在我們的理解范圍之內。”吳京文表示,實際上,鄰近的相互作用星系和星爆星系也會產生類似現象。

  但是這項研究指出這次觀測的目標并非是熟知的相互作用星系或星爆星系,而是處于正常恒星形成狀態的盤星系。這一結果指出,早期宇宙的正常星系中的巨分子云可能會與我們在近鄰宇宙看到的很不一樣,反而更接近于近鄰星系中的相互作用星系或星爆星系。吳京文解釋道,相互作用星系是指被彼此引力捕捉的星系。通常,星系會在相互作用中造成星系合并,觸發氣體壓縮和爆發性的恒星形成,觀測上表現為星爆星系。目前已經有理論提出分子云的形成和其中的恒星形成在宇宙中并不是一成不變的,而是會受到所在環境的強烈影響。這個最新的觀測結果是對這種理論的重大支持。

  看清遙遠“房子”的磚塊

  這一研究的突破點在于團隊所使用的觀測手段。正如前面提到的,研究團隊使用了引力透鏡效應和ALMA對宇宙蛇進行觀測。

  引力透鏡被稱為自然望遠鏡。由于光線在大質量天體附近會發生彎曲,觀察者可以看見在空間上被大質量天體所遮擋的光線,就像有一面透鏡放在觀測者和天體之間一樣。“有了這種效果,遙遠星系的某些部分就會在天空中伸展開來,使得我們能在前所未有的分辨率下對遙遠星系進行研究。”論文第一作者米洛斯拉瓦·德桑格斯說。

  “而ALMA是亞毫米波段望遠鏡中的巨無霸,可用于觀測非常遙遠的星系中的分子云、塵埃、一氧化碳等。”吳京文說,研究團隊通過巨大望遠鏡陣列獲得了相當高的觀測能力,因而看得更遠更深。

  如果把遙遠星系比作一個房子,以前只能遠遠看到整個房子。運用引力透鏡和ALMA后,就能分辨出建筑中的磚塊——巨分子云。

  那么,研究團隊是如何知道這棟距離我們十分遙遠的房子有哪些性質的呢?

  “關鍵在于ALMA能觀測到星系中的一氧化碳,而一氧化碳是整個星系分子氣體的示蹤物。”吳京文解釋道,在星系中,氫分子和一氧化碳是均勻混合的,經驗上以一定的比例并存。因此,通過觀測到某個星系中一氧化碳的分布范圍,譜線輪廓和輻射強度,就能估算出該星系所對應的一些物理性質。

  不過,關于這項研究,還有很多未解之謎。

  “分子云中冰冷而致密的分子云核才是大規模恒星的真正場所,這些分子云核需要用輻射低得多的致密氣體探針——一些特殊的分子氣體——來探測才行。這些巨分子云中恒星形成效率這么高,很可能是因為其中的致密氣體含量受到外部環境影響,變得非常高。但現在的觀測條件還不足以觀測并分辨出遙遠星系中的致密氣體發射。”吳京文說,在這樣高的內部湍流環境中恒星如何形成?大質量恒星形成如何受到周圍環境的影響?這些問題的答案需要進一步研究才能揭曉。

打印 責任編輯:侯茜

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