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望远镜观测到最古老星系:仅比宇宙晚3.8亿年 (zhuan)  

2013-02-04 03:00:43|  分类: 天文学习 |  标签: |举报 |字号 订阅

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科学探索 来源:新浪科技

 
哈勃极超深场(HUDF)巡天观测计划的目标是找到宇宙中最古老的星系,这项研究计划已经抵达了哈勃空间望远镜的观测能力极限
 

  哈勃极超深场(HUDF)巡天观测计划的目标是找到宇宙中最古老的星系,这项研究计划已经抵达了哈勃空间望远镜的观测能力极限

 

这张时间回溯示意图展示的是大爆炸之后宇宙的演化序列。在本次的研究中,哈勃望远镜将时间回溯到了134亿年之前,直抵宇宙的最深处,这里几乎接近宇宙中最早期星系形成的时期。在那之前,宇宙处于黑暗时期,宇宙中没有发光的恒星和星系。在宇宙再电离时期中,早期形成的恒星发出的剧烈紫外线导致宇宙中的中性氢原子发生电离。
 

  这张时间回溯示意图展示的是大爆炸之后宇宙的演化序列。在本次的研究中,哈勃望远镜将时间回溯到了134亿年之前,直抵宇宙的最深处,这里几乎接近宇宙中最早期星系形成的时期。在那之前,宇宙处于黑暗时期,宇宙中没有发光的恒星和星系。在宇宙再电离时期中,早期形成的恒星发出的剧烈紫外线导致宇宙中的中性氢原子发生电离。

 

大图中带颜色的方框标示出了本次发现的最早期星系的位置。小图中则是对这些星系的黑白放大图。每一个这种星系都标出了其红移值,这一数值表示其最初发出的紫外和可见光线是如何在穿越广袤的空间时被拉伸至红外波段的。其中一个红移值高达11.9的星系可能是迄今人类观测到的最遥远星系,其形成时宇宙才诞生不过3.8亿年左右。
 

  大图中带颜色的方框标示出了本次发现的最早期星系的位置。小图中则是对这些星系的黑白放大图。每一个这种星系都标出了其红移值,这一数值表示其最初发出的紫外和可见光线是如何在穿越广袤的空间时被拉伸至红外波段的。其中一个红移值高达11.9的星系可能是迄今人类观测到的最遥远星系,其形成时宇宙才诞生不过3.8亿年左右。

 

  北京时间12月15日消息,据国外媒体报道,一个由美国加州理工学院领衔的天文学家小组使用美国哈勃空间望远镜发现了7个迄今已知最原始,距离最遥远的星系。专家们认为其中有一个星系可能是我们迄今发现的所有星系中最古老的,其形成于宇宙大爆炸发生后大约仅仅3.8亿年。所有7个最新发现的星系的形成时间都在130亿年之前,当时的宇宙年龄仅相当于其目前年龄的4%,那个时期常常被天文学家们称作“宇宙的黎明”,正是在那一时期,宇宙中最早期的一批星系开始形成。目前,宇宙的年龄约为137亿年。而本次的研究所发现的星系年龄涵盖了宇宙年龄在大约3.5亿年至6亿年之间的时期,其代表的是宇宙极早期形成的首批星系的确凿证据。

  天文学家们认为随着宇宙年龄的增长,其中的星系形成数量会稳定增长。由于光需要花费数十亿年时间才能穿越如此广袤的宇宙空间,因此天文望远镜就像一台时间机器,可以让我们看到数十亿年前宇宙的景象。我们看的越远,我们回溯的时间便越久远。这项最新研究的有关论文已经于近期发表于《天体物理学通报》上。在这项研究工作中,科研小组的成员们对宇宙的最边缘进行了探索,当然他们这样做也就是在窥视着宇宙最初的时光,这是哈勃观测能力的极限。

  理查德?艾里斯(Richard Ellis)是加州理工学院的天文学教授,同时也是研究论文的第一作者,他表示:“我们让哈勃望远镜进行了迄今最长时间的曝光,拍摄到了一些最遥远最暗弱的星系。”他说:“更深邃的视野,加上我们精心规划的观测策略共同让窥见最早期的宇宙成为可能。”这项研究是哈勃极超深场(HUDF)巡天观测计划产出的早期成果之一,该巡天项目让哈勃空间望远镜对准一小片天空进行长时间的曝光观测,从而暴露出这里存在的最黯淡最遥远的星系。这项研究是从9年前开始进行的。

  天文学家们使用哈勃空间望远镜上的广角相机3号(WFC3)在哈勃极超深场天区进行近红外波段巡天。该观测开展的时间是在2012年8月和9月之间,前后持续6周时间。为了确定这些星系的距离,研究小组使用4组不同的滤镜进行观测,这些滤镜的使用让哈勃空间望远镜可以在某些特定波段上捕获近红外光。研究小组成员,英国爱丁堡大学的天文学家詹姆斯?顿洛浦(James Dunlop)表示:“我们使用了此前还从未被用于深空成像的滤镜,并且在某些滤镜波段上进行了远比此前工作中更深邃的曝光成像,这样做是为了彻底排除这些星系中混杂有前景星系的可能性。”

  这些精心选择的滤镜让天文学家们得以测量被宇宙中的中性氢吸收的光子,中性氢大约从宇宙大爆炸之后40万年开始充斥宇宙空间。恒星和星系在大爆炸之后大约2亿年开始形成。随着这些恒星和星系的逐渐形成,它们发出的剧烈紫外线横扫整个宇宙,紫外线让中性氢失去电子发生电离。这就是所谓的“宇宙再电离时期”,这段时期将一直持续到大爆炸后大约10亿年。

  如果宇宙中的一切都是静止的,天文学家们应当会观测到仅有一个特定波段的光子被中性氢吸收。然而实际情况是宇宙在膨胀,这种膨胀拉伸了光波的波长。而这种波长拉伸的程度直接取决于这些光距离的远近,这就是所谓的红移效应:发光的恒星和星系距离越远,它们发出光的红移量就会越大。正是由于宇宙的这种膨胀效应,对于那些距离较远的星系,天文学家们会在波长稍长的波段上观察到这种中性氢吸收线。这种吸收线的特征让天文学家们可以判断一个发光天体的距离远近,并进一步推算出这些恒星和星系的形成年代。使用这种技术,我们不断回溯到更加遥远的时空,随着时光倒流,天文学家们视野中的星系越来越少。正如论文合著者,美国亚利桑那大学的布兰特?罗宾森(Brant Robertson)所说:“我们的数据证实了宇宙再电离是一个历时数亿年之久的缓慢过程,在这一期间星系和恒星逐渐成型。”他说:“并不存在一个特定的时刻,星系突然就出现了,这是一个缓慢的进程。”

  本次进行的最新研究已经将哈勃空间望远镜的观测能力推向极限,这也说明了我们确实需要下一代的红外波段空间望远镜。当下一代空间望远镜服役,我们将能够进一步向前回溯时间,看到更加原始的星系,但是由于宇宙膨胀的原因,这些较早期时期天体发出的光的波长已经被严重拉长,进入了红外波段,这已经超出了哈勃望远镜的观测波段范围。而美国宇航局即将发射升空的詹姆斯?韦伯空间红外望远镜正是基于这一目标。来自巴尔的摩空间望远镜研究所的项目组成员安东尼?考克曼(Anton Koekemoer)表示:“尽管我们已经抵达了哈勃空间望远镜可以抵达的能力极限区域,这一成就本身事实上便正好为未来的詹姆斯?韦伯空间望远镜准备好了大展身手的舞台。我们的本次研究证明了在我们目前的极限之外还有更多其它更早期的天体,它们将是詹姆斯?韦伯空间望远镜的观测目标。”(晨风)

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