Spitzer揭示了古代星系如何照亮宇宙的线索

美国国家航空航天局哈勃望远镜和斯皮策太空望远镜拍摄的这种天空（中心）的深场视图由以红色圆圈圈出的星系（包括一些非常微弱，非常遥远的星系）主导。右下图显示了在长时间观察中从其中一个星系收集的光。学分：NASA / JPL-Caltech / ESA / Spitzer / P。Oesch / S。德·巴罗斯/拉贝

NASA的Spitzer太空望远镜透露，宇宙中最早的一些星系比预期的要明亮。多余的光是星系的副产品，释放出令人难以置信的大量电离辐射。这一发现为重新电离时代的起因提供了线索，这是一个重大的宇宙事件，它使宇宙从几乎不透明变成了如今所见的灿烂星空。

在一项新的研究中，研究人员报告了在宇宙大爆炸后不到十亿年（或大约一百三十亿年前）对宇宙中形成的一些首个星系的观测结果。数据显示，在一些特定波长的红外光中，星系比科学家预期的要亮得多。该研究首次证实了这一时期从这一时期开始的大量星系的现象，表明这些并不是亮度过高的特殊情况，但是当时存在的平均星系在这些波长下的亮度都比我们今天看到的星系要亮得多。 。

没有人能确切知道我们宇宙中的第一批恒星何时爆发。但是证据表明，在大爆炸发生大约1亿至2亿年后，宇宙中大部分充满了中性氢气，该气体也许刚刚开始聚集成恒星，然后开始形成第一个星系。发生大爆炸后大约十亿年，宇宙已经变成了一个闪闪发光的穹顶。其他情况也发生了变化：无处不在的中性氢气的电子已通过称为电离的过程被汽提掉。充分记录了重新电离的时代-从充满中性氢的宇宙到充满电离氢的宇宙的转变。

该画家的插图展示了宇宙中最早的星系之一可能是什么样的。高水平的猛烈恒星形成和恒星死亡会照亮填充恒星之间空间的气体，从而使星系在很大程度上不透明且没有清晰的结构。学分：詹姆斯·约瑟夫（James Josephides）（斯威本天文学制作公司）

在此宇宙范围内的转换之前，无线电波和可见光等长波形式的光或多或少地不受阻碍地穿过了宇宙。但是中性氢原子阻止了较短波长的光，包括紫外线，X射线和伽马射线。这些碰撞会剥夺其电子的中性氢原子，使它们电离。

但是，什么会产生足够的电离辐射来影响宇宙中的所有氢呢？是单星吗？巨大的星系？如果其中一个是罪魁祸首，那么那些早期的宇宙殖民者将与大多数现代恒星和星系不同，后者通常不会释放大量的电离辐射。再说一次，也许是其他完全导致该事件的原因，例如类星体-星系令人难以置信的明亮中心，由绕着超大质量黑洞运行的大量物质驱动。

研究的主要作者，瑞士日内瓦大学的博士后研究员斯蒂芬·德·巴罗斯（Stephane De Barros）说：“这是观测宇宙学中最大的开放性问题之一。”“我们知道它发生了，但是是什么原因造成的呢？这些新发现可能是一个重要线索。”

寻找光

为了追溯到电离大纪结束之前的时代，斯皮策盯着天空的两个区域，每个区域超过200个小时，这使太空望远镜能够收集经过了130亿多年的光线才能到达我们。

作为Spitzer进行的最长的科学观测之一，它们是名为GREATS的观测运动的一部分，GREATS是Spitzer的GOODS Re-ionization Era广域国库券的缩写。GOODS（本身是首字母缩写词：伟大的天文台起源深度调查（Great Observatories Origins Deep Survey）是另一项对某些GREATS目标进行首次观测的活动。这项研究发表在《皇家天文学会月刊》上，该研究还使用了美国宇航局哈勃太空望远镜的档案数据。

利用Spitzer的这些超深观测，天文学家团队观测了135个遥远的星系，发现它们在两个特定波长的红外光中都特别亮，该红外光是通过电离辐射与星系中的氢气和氧气相互作用而产生的。这意味着这些星系主要由年轻的，质量庞大的恒星控制，这些恒星主要由氢和氦组成。与普通现代星系中发现的恒星相比，它们含有非常少量的“重”元素（如氮，碳和氧）。

这些恒星不是宇宙中最早形成的恒星（那些恒星仅由氢和氦组成），但仍是非常早期的恒星的成员。《电离时代》不是一瞬间的事件，因此尽管新的结果不足以结束有关这一宇宙事件的书，但它们确实提供了有关此时宇宙如何演化以及过渡如何进行的新细节。

“我们没想到斯皮策镜的镜面直径不超过呼啦圈，它能够看到如此接近时间的星系，”美国加利福尼亚州帕萨迪纳市NASA喷气推进实验室的斯皮策项目科学家Michael Werner说。 。“但是大自然充满了惊喜，这些早期星系的出乎意料的亮度，加上斯皮策的出色表现，使它们处于我们规模虽小但功能强大的天文台的范围之内。”

美国国家航空航天局（NASA）的詹姆斯·韦伯（James Webb）太空望远镜定于2021年发射，它将研究斯皮策观察到的许多相同波长的宇宙。但是，在斯皮策的主镜直径只有85厘米（33.4英寸）的地方，韦伯的主镜只有6.5米（21英尺），大约是后者的7.5倍，这使韦伯能够更详细地研究这些星系。实际上，韦伯将尝试探测来自宇宙中第一批恒星和星系的光。这项新的研究表明，由于斯皮策观测到的星系由于它们在那些红外波长中的亮度，比以前认为的要容易研究韦伯。

日内瓦大学助理教授，该研究的合著者帕斯卡尔·厄斯说：“斯皮策的这些结果无疑是解决宇宙电离之谜的又一步。”“我们现在知道这些早期星系的物理条件与当今的典型星系有很大不同。詹姆斯·韦伯太空望远镜的工作将是找出原因的详细原因。”

JPL为美国国家航空航天局（NASA）在华盛顿的科学任务局管理Spitzer太空望远镜任务。科学操作是在帕萨迪纳市Caltech的Spitzer科学中心进行的。太空作战基地设在科罗拉多州利特尔顿的洛克希德·马丁太空系统公司。数据存储在位于Caltech的IPAC的红外科学档案中。加州理工学院为NASA管理JPL。

出版物：S De Barros等，“ z8处的GREATS H β+ [O III]光度函数和银河特性”∼《走JWST之路》，MNRAS，2019年； doi：10.1093 / mnras / stz940