宇宙黎明时分的星系
Richard Takott　文　Shea　编译
	哈勃空间望远镜最新、最大的深空区影像揭示出了一群距离地球超过130亿光年小而蓝的星系。 　　在被送入太空20年之后，哈勃空间望远镜仍在不断地攀登新的高峰。现在，天文学家已经使用新安装的大视场相机3（WFC3）探访了先前“哈勃”从未能企及的宇宙深处，发现了距离地球超过130亿光年的星系。 　　这些最遥远的星系也给我们了一个回溯过去的机会。它们在宇宙大爆炸之后仅6亿年就已出现，个头也比主宰着当今宇宙的银河系和其他大型星系小得多。实际上，这些星系向我们展示的正是大型星系婴儿时的样子。 　　最新的研究结果来自“哈勃”的两次观测。第一次观测的是位于南天星座天炉座东北角的一小片天区。美国加州大学圣克鲁兹分校的天文学家加思·伊林沃思（Garth Illingworth）领导的团队在2009年8月底至9月初使用WFC3对其进行了总共48个小时的曝光，使用三个滤光片在不同的近红外波段上获得了图像。 　　这个区域正好与2003年底和2004年初高新巡天相机（ACS）在可见光波段所拍摄的哈勃超深空区（HUDF）重合。通过将2009年所拍摄的HUDF（HUDF09）与原先的进行比对，做出了许多新的发现。 　　由美国亚利桑那州立大学的天文学家罗吉尔·温德霍斯特（Rogier Windhorst）所领导的第二个小组观测了HUDF09北面另一片稍大的天区。他们综合了WFC3在3个近红外波段和3个紫外线以及早先ACS在4个可见光波段的观测结果。由此生成的10色拼接照片提供了数千个星系前所未见的影像。 　　这两个片天区都位于大型天文台宇宙起源深空巡天（GOODS）所覆盖的区域中，后者是一个用于研究宇宙演化的巡天项目。在GOODS中，天文学家使用“哈勃”、斯皮策空间望远镜、钱德拉X射线天文台以及大型地面望远镜对同一片天区进行了观测。这一天区乍看之下几乎空无一物，其中最亮的恒星只有14等，比肉眼可见的最暗恒星还要暗1,000倍。 [图片说明]：由哈勃空间望远镜于2004年使用高新巡天相机和2009年9、10月使用大视场相机3所获得的数据合成的这张照片浓缩了宇宙130亿年的历史，其中包含了从近距星系到130亿光年之外的迄今所见最遥远星系在内的数千个星系。它综合了由紫外、可见光和近红外波段的10个滤光片所得到的图像。版权：NASA/ESA/R. Windhorst, S. Cohen, M. Mechtley, and M. Rutkowski (Arizona State Univ., Tempe), R. O'Connell (Univ. of Virginia), P. McCarthy (Carnegie Observatories), N. Hathi (Univ. of California, Riverside), R. Ryan (Univ. of California, Davis), H. Yan (Ohio State Univ.), A. Koekemoer (STScI)。 狩猎宇宙边缘 　　在“哈勃”完成观察的几周之内，天文学家就在照片中发现了一系列遥远的星系。寻找这些遥远的目标并没有你所想象得那么容易。对于距离较近也更为明亮的星系，这个任务就相当简单。你所要做的就是用一个大望远镜观测它的光谱并确定其红移。红移标示着由于宇宙膨胀使得光向波长更长（更红）的地方所偏移的量。 　　这些新发现的星系不仅非常暗弱，还极其遥远，它们所发出的光已经移出了可见光波段。地面或者空间望远镜都无法获得这些最远星系的光谱。相反，天文学家通过它们在不同近红外波段下的亮度来确定红移，从而得出了它们的距离。（详见插页“如何确定星系的距离”。）这正是WFC3的用武之地，只有它才能看到这些遥远的星系所发出的微弱光线。 　　伊林沃思的研究小组发现了16个红移在7左右和5个红移在8左右的星系。其中最远一个红移约8.5，所对应的时间相当于大爆炸之后6亿年。（详见插页“红移和时间的关系”。）而它打破“哈勃”ACS创下的前一个纪录——发现红移略高于6的星系（相当于大爆炸之后大约9亿年）——仅仅用了6年时间。 　　伊林沃思甚至声称，有证据显示有3个星系的红移在10左右，这将它们的年龄推到了宇宙起源之后5亿年内。但是，这些星系只出现在WFC3中波长最长的滤光片下，因此他们对这一结果并不十分自信。 红移和时间的关系 星系的红移表征了它的距离，也告诉了我们它所发出的光离开它的时刻。红移为0意味着光的频率没有发生移动，因此代表着当前的宇宙。红移为1意味着光移动了100%，所以波长是原先的2倍长；红移为2，波长则是原来的3倍。在超深空区中已经被确认的最遥远星系的红移在8～9之间，所以我们看到的是它们在宇宙大爆炸之后仅6亿年的样子。 如何确定星系的距离 　　为了确定一个星系的距离，天文学家要测量它的红移。宇宙膨胀会把光线的波长拉长，发光天体越远，红移就越大。通常，根据天体的光谱就能得到红移。但不幸的是，最遥远的星系都太暗弱、太红，任何望远镜都无法获得它的光谱。 　　不过，大自然提供了另一个办法。星系中的中性氢会吸收波长短于91.2纳米的几乎所有光线。因此，星系的光谱会在这个波长上有一个明显的截断。对于遥远的星系，宇宙膨胀会把这个截断移动到波长更长的位置。 　　因此，如果天文学家通过不同的滤光片来拍摄图像，那么遥远的星系就会出现在波长较长的图像中，而不出现在波长较短的图像中。星系消失不见的那个波长就给出对它红移的估计值，这一方法的精度在4%左右。 [图片说明]：“哈勃”在2009年8月底至9月初拍摄的深空区近红外照片。圈中的星系红移在7或者8左右，所对应的时间为大爆炸之后6～8亿年。版权：NASA/ESA/G. Illingworth, R. Bouwens (UCSC)/the HUDF09 Team。 小而蓝 　　新发现的星系和近距宇宙中雄伟的旋涡星系以及巨大的椭圆星系差别极大。它们的直径大约只有银河系的5%，质量则不到银河系的1%。不过，“哈勃”仍然揭示出了它们的形态。其中一些外形歪曲、参差不齐，这无疑是和其他星系交会的结果。它们是通过并合过程成长为大型星系的种子。 　　这些遥远的星系同时也比今天的星系蓝得多。不要误会，它们在望远镜中仍呈现为红色。但是，当天文学家们扣除宇宙膨胀所造成的红移效应之后，他们发现这些星系所发出的都是蓝色的光。 　　天文学家认为，这说明相对于近距星系它们所含的尘埃和重元素要少得多。随着时间的推移，重元素会在恒星中累积。随后超新星爆炸会抛射出这些元素，它们会形成尘埃，尘埃会散射和红化星光。 　　这些最暗的星系是如此的蓝，它们很可能极为缺乏重元素，因此表现出了接近原始的特征。虽然可能具有一些原始的特征，但它们并不是原初星系。综合“哈勃”和“斯皮策”在更长波段上的观测发现，这些红移为8的星系必定在大约3亿年前就开始制造恒星了，这个时间相当于宇宙大爆炸之后3亿年。 [图片说明]：哈勃超深空区是位于南天星座天炉座中的不起眼的一片天区。图片显示的是它在数字巡天中所对应的区域。版权：Digitized Sky Survey (DSS)/STScI/AURA/Palomar/Caltech/UKSTU/AAO。 进入黑暗时代 　　这些早期的星系正处于宇宙所谓的“黑暗时代”。这个时代开始于大爆炸之后约38万年，当时宇宙已经冷却到了电子可以和质子结合到一起。由此产生的氢原子第一次可以在宇宙中通行无阻，宇宙背景辐射也开始在宇宙中弥漫。 　　最后，在大爆炸之后4～9亿年间，年轻的宇宙发出了大量的辐射再一次电离了氢。但是没有人知道是什么天体产生了这些辐射。绝大多数天文学家认为是年轻的星系。然而，对早期宇宙中的星系计数表明，它们可能并不是一个人在战斗。其他一些科学家怀疑，由超大质量黑洞驱动的微类星体也参与到了其中。 　　天文学家希望能从对GOODS区域的额外观测中收集进一步的线索。目前的HUDF09数据只覆盖了天文学家计划观测天区的约三分之一。之后“哈勃”在2010年2月又进行了观测，并将在2010年底继续这一观测。但想要取得真正的进展可能还需要詹姆斯·韦布空间望远镜。这架6.5米的望远镜计划于2014年发射，专门设计用来在红外波段进行观测并获得暗弱天体的光谱。由此它会揭开第一代星系的秘密。
[Astronomy 2010年5月]

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