134亿光年!人类所知最古老最遥远的星系,被北大团队确认

澎湃新闻记者 虞涵棋

2020-12-16 11:34 来源:澎湃新闻

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我们宇宙的年龄大约为138亿年,而北京大学科维理天文与天体物理研究所江林华领衔的国际团队确认了一个星系远在134亿光年外,是人类至今发现的最遥远天体。
这意味着,这个名为GN-z11的星系在宇宙大爆发后约4亿年就已经形成,它发出的光经历了134亿年的穿行才抵达地球上的望远镜,十分古老。该成果对理解宇宙早期星系和恒星形成有重要意义,为研究宇宙极早期天体打开了一扇窗口。
两篇相关论文于12月14日发表在《自然-天文》(Nature Astronomy)杂志上。
遥远与古老
正如美剧《生活大爆炸》主题曲的歌词开头,宇宙一度又火热又稠密,大约140亿年前终于爆了炸。大爆炸后约38万年,光子和重子物质退耦,质子和电子结合成稳定的中性氢原子,宇宙中暂时没有了发光物体,陷入一段“黑暗时代”,直到大爆炸后约1.5亿年,宇宙大尺度结构在暗物质作用下开始显现,带来了第一代恒星的诞生。第一代星系则在之后的1亿年左右形成。这些天体发出的光子电离了附近的中性氢,重新“点亮”宇宙,即宇宙再电离。
这些早期天体发出的“第一缕曙光”,是宇宙历史学家们非常感兴趣的研究对象。但是,地球上时时刻刻都在接收宇宙中四面八方来的光,如何知道哪些光是“新”的,哪些光是“老”的?
生活中有这样一个有趣的现象:当一辆救护车鸣着笛由远及近向你迎面驶来的时候,你会听到警笛声变响,音调变高;而当车从近而远离去的时候,声音变轻的同时,音调变低。物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化,这就是“多普勒效应”。
光波在宇宙膨胀的影响下,也会出现类似的“红移”效应。要知道,在可见光中,红光的波长是最长的,向光谱的红端移动,就意味着波长变长。通过测量光的红移(通常记为z),科学家们可以判断星系的年龄。
红移数值越大,星系就越古老,距离也越遥远。大爆炸后38万年对应着红移1100左右,而大爆炸后4亿年对应着红移11左右。这个星系名为GN-z11,其实就是红移11的意思。
红移11
早在2016年哈勃望远镜发现GN-z11的时候,就通过图像初步判定它的红移可能达到了10以上。哈勃的近红外观测设备发现一处红移值约为11.09的断裂。不过,此前国际上普遍认为,现有的望远镜很难测量出该星系的准确红移值,需等待詹姆斯·韦伯望远镜等下一代旗舰平台。GN-z11艺术想象图 来源:北京天文馆喻京川

GN-z11艺术想象图 来源:北京天文馆喻京川


要知道,即使不考虑星系的亮度因距离增加而呈平方反比衰减,在同等距离下,一个红移11的星系亮度也要比红移0的同样星系暗上144倍。
与此同时,古老的光波在宇宙膨胀的因素下早已红移到了波长比红光还要长的红外波段,而地球本身就是个巨大的红外污染源,要让望远镜探测红外光,就好像戴着眼镜在蒸笼里看东西一样。
2017年4月,江林华团队利用世界上最先进的地面红外望远镜之一——夏威夷山上十米口径的凯克(Keck)望远镜,对GN-z11进行了深度光谱观测,基于光谱分析出该星系的准确红移为10.957,证实其为134亿光年之外的星系。
这项工作表明,现有大型天文设备有能力探测到部分像GN-z11这样的早期星系的光谱。
最古老伽马暴?
当然,下一代红外天文观测设备有望对GN-z11这样的星系进行深入理解,甚至是GN-z11的前辈星系们。
原来,研究团队不仅从光谱中读出了准确红移,也读出了其他信息。光谱显示有三条发射线,由碳和氧的二次电离气体发出,表明该星系中已有丰富的非氢非氦元素。宇宙中一开始只有氢元素,随着演化进程逐渐聚变出更重的元素。这个信息说明,GN-z11并非宇宙中第一代星系。
此外,研究团队还探测到来自该星系方向的一次爆发,呈现为一明亮的近红外光谱。这个星系在不到3分钟的短短时间里,亮度似乎增长了数百倍。经详细分析,基本排除该爆发信号来自地球上人造物体和太阳系天体等来源。
理论计算表明,该光谱可能本来来自于GN-z11的一次伽马暴(伽玛射线是一种波长很短、能量很高的光波),为伴随该伽马暴的紫外辐射。
伽马暴是宇宙中最为剧烈的爆发形式,极其罕见。目前,人类已知最古老的伽马暴发生在宇宙大爆炸后5亿年左右。若GN-z11光谱上的这一“惊喜”成立,江林华就在发现最古老、最遥远星系的同时,还发现了最古老、最遥远的伽马暴。
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责任编辑:李跃群
校对:丁晓
澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 宇宙,北大,天体物理

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