来自 科学创造 2019-10-29 11:40 的文章
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照亮宇宙的首先缕光从何而来,详解紫外辐射缺

看起来邻近宇宙中丢失了什么东西,而且是很多东西:紫外光子。新近对邻近宇宙紫外背景辐射的研究发现了“光子生成数量不足的危机”,说明人们要么错误地估计了邻近的紫外源,要么没能正确理解星系际介质,要么兼而有之。

宇宙大爆炸后大概30万年,进入了黑暗时代。在那漫长的日子里,时间几乎是凝固的,没有恒星,没有星系,整个宇宙被中性氢所充满。

弥漫在宇宙中的紫外背景辐射来自两个主要来源——类星体以及年轻的高温恒星。它们的紫外光子与弥漫在星系际空间的稀疏气体相互作用,将中性氢原子转化为带电的离子。由于恒星的紫外辐射在与星系际氢云相互作用之前,通常会被宿主星系中的气体吸收,类星体可能提供了河外紫外背景辐射中最大的一部分。

再次照亮宇宙的第一缕光从何而来?宇宙何时开始变得明亮?

由于紫外背景辐射过于暗淡,天文学家无法直接进行测量,他们转而累加起所有可能的紫外辐射源,并计算被星系际气体吸收和再发射的紫外线比例。

中国科技大学王俊贤教授和中科院上海天文台郑振亚研究员及其合作者近日观测获得了一个宇宙早期(大爆炸后约8亿年,约为宇宙当前年龄6%时)的星系样本,并由此发现当时的宇宙中星际介质里氢的电离比例约50%。正如黎明之前的黑暗,在这个黑暗时代末期,宇宙第一代恒星和星系开始形成,它们发出的紫外光辐射电离了周围的中性氢,使得整个宇宙开始一点点明亮起来。

对遥远宇宙的观测表明,紫外源的数量以及星系际气体的电离速率吻合得近乎完美。但是由卡耐基天文台的尤纳?科尔迈尔(Juna Kollmeier)及其同事进行的一项研究表明,在邻近宇宙中,结果要古怪得多。

近日,这一突破性进展发表在国际一流天体物理期刊《天体物理快报》上。美国国家光学天文台当地时间7月11日,以“遥远的星系揭开宇宙黑暗时代末期的面纱”为题专门撰文报道了此项研究突破。

科尔迈尔的小组模拟了生成哈勃空间望远镜对邻近星系际氢云的观测结果所需的电离率。但是为了以这样的速率让氢元素电离,邻近宇宙需要的紫外辐射数量是超级计算机对紫外背景模拟结果的5倍。

一个极具挑战性的问题

科尔迈尔的小组对这一危机提出了若干种可能的解释,不过没有一种看起来能完全让人满意。天文学家可能需要对来自类星体和年轻恒星的紫外辐射数量,还有逃逸出宿主星系的恒星辐射数量进行彻底的重新估计。

先来看一下宇宙的前世今生吧。

一个更加激动人心的可能性是,邻近宇宙的紫外背景是由尚未被发现的光子源占据主导的。也许最为激进的解决方案是,星系晕中的暗物质衰变过程产生了缺失的紫外辐射。科尔迈尔的小组估计,如果情况确实如此,那么在整个宇宙的历史中,只有极少的暗物质发生了衰变。但是这一解释会彻底改变我们对暗物质特性的认识。

大约138亿年以前,我们的宇宙形成于一次大爆炸,当时的温度达到10亿摄氏度以上。氢元素和氦元素,就是这个时候产生的。大爆炸确定了氢和氦元素各自的比例,氢元素大概占整体数目的90%左右。

来自马萨诸塞大学阿默斯特分校的尼尔·卡茨(Neal Katz)在卡耐基学会的新闻稿中称:“你要知道,当你开始讨论暗物质衰变的时候,这就是危机了!”

想象一下,整个宇宙当时就是一锅热粥,氢元素处于电离状态,那个时候的宇宙是明亮的。而随着温度下降,宇宙渐渐冷下来,曾经处于电离状态的氢元素变成了中性氢元素,它可以吸收宇宙中的紫外光,从而束缚住这些光子,使其无法自如到达远方。宇宙大爆炸后大概30万年,整个宇宙陷入了一片黑暗之中。

尤蒂卡学院的乔·里包多(Joe Ribaudo)并未参与此次研究,他说,抛开猜测不谈,这次危机表说明,我们当前对现今宇宙的模型以及观测存在很大的矛盾。“当然,任何时候只要你的理论模型与观测不符,这就是激动人心的机会,可以了解宇宙的一些新东西。”

然而,在这宇宙的黑暗时期,在引力作用下,宇宙的结构开始逐步形成:氢元素形成了第一代恒星和星系,第一代恒星的质量可能非常大,相当于几百个太阳。这些恒星聚变时产生了大量的紫外光子,产生了许多像气泡一样的电离泡。随着电离作用加快,在某个特殊阶段,整个宇宙的星际介质再次变成电离环境,从而结束了宇宙的黑暗时代。

这个过程被称之为“再电离”。虽然天文学家知道其发生于宇宙大爆炸后大约3亿年至10亿年之间,宇宙第一代星系在其中起到了显著作用,但确定再电离的细致过程以及第一代星系何时形成一直是天体物理前沿一个极具挑战性的问题。

宇宙8亿年,“大雾”开始消散

假设宇宙大爆炸时的一个光子,在岁月的长河中,一直不停歇地奔跑着,科学家们如果能够解读出它所携带的信息,就能窥见宇宙早期的样子。我们现在可以看到的宇宙,最远的信号是来自宇宙微波背景辐射。二十世纪六十年代初,美国两位科学家为改进卫星通讯,建立了高灵敏度的号角式接收天线系统。为了降低噪音,他们甚至清除了天线上的鸟粪,但依然有消除不掉的背景噪声。这正是宇宙微波背景辐射造成的,这一发现为他们赢得了1978年诺贝尔物理学奖。

尽管宇宙微波背景辐射是研究宇宙再电离时期的一种重要方法,但这种方法有局限,一般会结合宇宙早期星系的研究,如对那个特殊时段的类星体、伽马爆和恒星形成星系的研究,来获得再电离的演化历史。然而宇宙早期类星体的数目非常少,而早期宇宙伽马爆又很难捕捉到,故而早期宇宙的恒星形成星系现在是研究宇宙再电离的热点。这些宇宙早期天体所辐射的莱曼阿尔法光子,一直是科学家们探测宇宙再电离的关键手段,因为这一发射线光子会被宇宙间弥散的中性氢原子散射。如果说宇宙整体的中性氢环境就像一场大雾,这些早期宇宙中的莱曼阿尔法星系就像大雾中的车灯,被遮挡得有些模糊。一旦周围环境开始电离,大雾会渐渐变弱,等到氢元素完全电离,大雾也就消失了。

“宇宙再电离时期的莱曼阿尔法星系”(英文缩写LAGER),是中国科学技术大学王俊贤教授发起组织的一个国际研究项目,由中国、美国和智利三国天文学家参加,中科院率先行动“百人计划”青年俊才候选人、上海天文台郑振亚研究员是该项目的共同组织者。

宇宙年龄8亿年处是宇宙再电离研究的最前沿,由于观测上的挑战,国际上对这一宇宙年龄及更遥远的莱曼阿尔法星系的类似搜寻工作,在过去10年间进展十分缓慢。LAGER在第一个目标天区探测到了宇宙年龄在8亿年处的23例莱曼阿尔法发射线星系。这批样本也是该宇宙年龄处获得的最大星系样本。分析发现,莱曼阿尔法星系的数目在宇宙年龄10亿年处大概是宇宙年龄8亿年处的4倍。“这表明宇宙再电离的过程始于更早期,在宇宙年龄8亿年处仍然未完成,大概处于一半电离一半电中性的状态,并且是非均匀的。”论文第一作者郑振亚研究员说。

这个结果意味着,宇宙在它当前年龄不到6%处,这场“大雾”已经开始消散;很大比例的早期宇宙第一代星系则形成于宇宙年龄8亿年之前。

(原载于《解放日报》 2107-07-16 04版)

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