由天文愛(ài)好者發(fā)現(xiàn)的“綠豌豆”星系，正在幫助專(zhuān)業(yè)天文學(xué)家揭開(kāi)宇宙黑暗時(shí)期的奧秘。

近日，瑞士天文學(xué)家安妮·維漢研究發(fā)現(xiàn)，“綠豌豆”星系可能會(huì)發(fā)射出大量電離光子。這種電離光子就像魔法棒，能使宇宙中的中性氫(不帶電)變成電離氫(帶電)。由于“綠豌豆”星系與宇宙嬰兒期的原初星系十分相似，天文學(xué)家推測(cè)宇宙再電離時(shí)期可能與原初星系有關(guān)。為了表彰安妮的研究，9月16日，瑞士國(guó)家科學(xué)基金會(huì)將授予她瑪麗·海姆-沃格林獎(jiǎng)。

宇宙再電離是什么?“綠豌豆”能揭示宇宙早期歷史的奧秘嗎?

整個(gè)宇宙近乎完全處于電離狀態(tài)

大約140億年前，宇宙發(fā)生了大爆炸，之后隨著膨脹，宇宙逐漸冷卻下來(lái)。當(dāng)降低到某一臨界溫度后，宇宙中的電子和質(zhì)子會(huì)復(fù)合形成氫原子，拉開(kāi)了宇宙黑暗時(shí)代的帷幕。在這個(gè)時(shí)期，整個(gè)宇宙中沒(méi)有恒星也沒(méi)有星系，到處都充滿(mǎn)了中性氫原子，這一狀態(tài)持續(xù)了幾億年。

雖然這個(gè)時(shí)期的宇宙寒冷、沒(méi)有光，但大量的氫原子開(kāi)始在引力作用下不斷塌縮，形成了最初的原恒星。隨著第一代恒星誕生，宇宙黑暗時(shí)代謝幕，逐漸進(jìn)入黎明時(shí)期。

第一代恒星和星系形成后，天文學(xué)家觀察到宇宙中的中性氫重新被大量電離，于是他們推測(cè)，第一代的恒星和星系發(fā)射出了大量電離光子，使其周?chē)闹行詺浒l(fā)生電離。這一過(guò)程，就是宇宙再電離時(shí)期。

“在宇宙的不同時(shí)期，氫的總體占比基本不變，但在宇宙再電離時(shí)期，中性氫和電離氫的比例隨著時(shí)間流逝而發(fā)生變化。”中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員鄭振亞長(zhǎng)期從事宇宙再電離時(shí)期的觀測(cè)研究，他在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示，“宇宙再電離結(jié)束后一直到當(dāng)前，宇宙近乎百分之百處于電離的狀態(tài)。這是因?yàn)橛钪娴淖贤怆婋x光子數(shù)目多、截面大，很多恒星和星系一直在放出紫外光子，紫外光子的產(chǎn)生大于它的消耗。所以，只要紫外光子足夠多，就能使中性氫保持為電離狀態(tài)。”鄭振亞解釋道。

中性氫和電離氫的差異可以借助一種特別的發(fā)射線(xiàn)來(lái)識(shí)別，也就是“萊曼α輻射”，它是氫原子第一激發(fā)態(tài)到基態(tài)能級(jí)躍遷對(duì)應(yīng)的輻射。鄭振亞告訴記者，中性氫在轉(zhuǎn)化成電離氫的過(guò)程中，有超過(guò)60%的概率會(huì)釋放出萊曼α輻射，所以天文學(xué)家們可以借助萊曼α輻射的發(fā)射或吸收特征來(lái)了解宇宙中電離氫和中性氫的具體比例。

天文學(xué)愛(ài)好者帶來(lái)的重大發(fā)現(xiàn)

通常，天文學(xué)家會(huì)結(jié)合宇宙微波背景輻射研究和宇宙早期星系研究，來(lái)揭示宇宙再電離的演化歷史。

這一次，安妮在宇宙再電離研究方面的突破離不開(kāi)“綠豌豆”星系，這是天文愛(ài)好者在2009年發(fā)現(xiàn)的一批微型星系，距離地球15—50億光年之遙。它們的體積不足銀河系的十分之一，質(zhì)量不足銀河系的百分之一，但在這些星系內(nèi)形成恒星的速度卻要快10倍。

鄭振亞告訴記者：“實(shí)際上，‘綠豌豆’星系誕生在宇宙大爆炸100多億年以后，它們并不是宇宙最早的星系。但由于‘綠豌豆’星系很矮、很小且致密，我們猜測(cè)它們與宇宙原初星系類(lèi)似。”

利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)，安妮及其團(tuán)隊(duì)證明“綠豌豆”星系確實(shí)會(huì)發(fā)射大量電離光子。專(zhuān)家表示，如果“綠豌豆”類(lèi)似于原初星系，那么很可能是超過(guò)130億年前的原初星系觸發(fā)了宇宙再電離。

鄭振亞告訴記者，與銀河系相比，原初星系質(zhì)量比較小、緊湊致密，沒(méi)有像銀河系這樣的旋臂存在。如果說(shuō)，銀河系看起來(lái)是個(gè)盤(pán)，那么原初星系就是一個(gè)點(diǎn)。

受到觀測(cè)水平限制，天文學(xué)家能搜集到的原初星系樣本很少。2017年，鄭振亞及其研究團(tuán)隊(duì)獲得了一個(gè)宇宙早期(大爆炸后約8億年)的星系樣本，并由此發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)的宇宙中星際介質(zhì)里氫的電離比例約50%。“探索更早期的宇宙，揭開(kāi)宇宙再電離的奧秘，有助于了解宇宙的整體演化過(guò)程，并理解宇宙中恒星和星系的形成與演化。”鄭振亞說(shuō)。(實(shí)習(xí)記者 代小佩)

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