135億光年外!科學家發現史上最遙遠的星系!怎麼證明?

前不久,美國宇航局剛剛公布了一條他們稱之為「史詩級」的發現——迄今為止人類已知的最遙遠恒星。一顆名叫Earedel的恒星在引力透鏡效應下被人類觀測到,這顆恒星距離我們128億光年,刷新了人類發現的最古老恒星的紀錄。

這個發現剛剛過去一個多星期,天文學家們又取得了另一項重大發現。繼史上最遙遠的恒星之后,人類又發現了史上最遙遠的星系!這個星系過于遙遠,以至于它的真實身份,如今還是個謎。

為了尋找這些遙遠的星系,一支國際天文學家團隊利用了四臺強大的望遠鏡進行觀測,分別是位于夏威夷的昴星團望遠鏡和英國紅外望遠鏡、位于智利的維斯塔天文望遠鏡以及遠在大氣層之外的斯皮策太空望遠鏡。憑借著這4臺利器,以及長達1200小時的觀測時間,他們在最早期的宇宙中發現了一些特殊的光芒。

他們的付出得到了回報,在最遙遠的宇宙,也就是那段距離我們最遙遠的歷史時期,他們發現了幾個遙遠的星系。其中最遠的一個,打破了以往的紀錄,成為了迄今為止人類已知的最遙遠的星系,它們將其命名為HD1。

根據觀測,這個星系距離我們達到了135光年!也就是說,它在宇宙大爆炸的僅僅3.3億年后就存在了!要知道,那個時候,宇宙還處于黑暗時代,正在一點點通過再電離形成天體。可以說,這個星系是宇宙中的元老了。

正如本次研究的參與者、日本東京大學的天文學家Yuichi Harikane所說的那樣,在70多萬個天體中找到它是一件非常困難的任務。那麼,天文學家是如何確定它的距離的呢?

在物理學上有一個著名的效應,叫做多普勒效應。它指的是波源在遠離或靠近的時候,其頻率會發生變化。生活中最常見的例子,就是靠近我們的汽車聲音會變得越來越尖銳;遠離時就會逐漸變得低沉。

在電磁波方面,多普勒效應也是存在的。當天體遠離我們的時候,其發出的光就會往波長更長的方向偏移,也就是靠近紅色的波段,這就叫做紅移現象。

我們知道,宇宙是在膨脹的。在宇宙空間膨脹的時候,這些遙遠的星系就會隨著空間一起膨脹,遠離我們,天文學上叫做退行。而且,離我們越遠的天體,退行的速度越快。所以,通過測量一個天體的紅移值,天文學家就能知道它距離我們有多遠了。

Harikane表示:「HD1的紅移值與135億光年外的星系預期特征驚人地吻合,以至于當我發現它的時候,都有點起雞皮疙瘩了!」

除了紅移值之外,它的紫外線波段中表現得非常明亮,暗示著這是一個能量爆棚的星系。由于這個星系過于遙遠,關于這種能量的來源,天文學家還有些困惑。它可能是一個星暴星系,也就是大量的恒星迅速形成從而釋放強大電磁輻射的星系;也可能是一個類星體,也就是核心處有一個瘋狂吞噬的超大質量黑洞,同樣也會爆發出巨大的能量。

哈佛大學和史密森尼天體物理學中心的天體物理學家Fabio Pacucci做了個比喻:這就好像大海遠處有一艘船,我們能看見它掛著一面旗,能大概看清它的顏色和形狀,但由于狂風和濃霧的阻礙,無法據此判斷這艘船是來自哪個國家的。

關于上面兩種猜測,天文學家都能找到無法解釋的矛盾點。

如果HD1是一個星暴星系,那麼根據其釋放的能量來進行估算,會得到一個驚人的結果:它每年就能夠生產出超過100顆新的恒星!這個數字看起來確實有點不太合理,因為和以往的理論相比,這個數字超出了預期的10倍!

只有一種可能性足以化解這個矛盾,那就是這些恒星本身就非常特殊,它們屬于宇宙中最古老的第一代恒星,也被稱為星族III星。

Pacucci介紹說:「宇宙中形成的最早的一批恒星都比今天的恒星溫度更加巨大、明亮,溫度也更高。如果我們假設HD1中形成的都是這些第一代恒星,或者說是星族III星,那麼它的特征就更容易得到解釋了。實際上,星族III星形成的紫外光比普通恒星更多,這就能夠解釋HD1中極強的紫外光亮度了。」

除此之外,類星體也可能是一個答案。類星體是類星射電源(quasi-stellar radio sources)的簡稱(quasar),它是活躍星系核的一種,可以釋放出極其驚人的能量。究其原因,就在于星系核心處的超大質量黑洞在瘋狂吞噬的同時,產生的熱量足以穿越上百億光年的宇宙,被人類觀測到。

如果是第二種情況,天文學家就會更加困惑了。根據他們的計算,如果HD1真的是類星體,那麼它的超大質量黑洞至少要達到太陽的1億倍質量才可以。可是,在宇宙大爆炸僅僅3.3億年后的時間里,恒星都沒有形成多少,怎麼會有如此巨大的黑洞呢?

話說回來,這也不是第一個挑戰天文學家理論的超大質量黑洞了。比如人類已知的最巨大的超大質量黑洞TON 618,質量是太陽的660億倍,在108億年前就這麼巨大了。

關于超大質量黑洞形成的理論,天文學家們也在不斷完善,并尋找新的解釋方式。比如有人認為,可能它們早在宇宙大爆炸初期就直接形成了,而不是通過第一代恒星死亡后的坍縮過程。如果跳過這一步,或許就能夠形成如此巨大的黑洞了。

總之,HD1到底是哪一種星系,目前仍然是一個謎。研究人員希望即將投入工作的詹姆斯·韋布太空望遠鏡能夠對它進行觀測,憑借其強大的觀測能力,破解這個謎題,或者發現更加遙遠的星系。

宇宙早期的那些巨大秘密,或許就要靠它來破解了。


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