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點亮“黑暗時期”的宇宙
原作：Nina A. Hatch
編譯：艾宇熙
校對：牧夫天文校對組
編排：王璞
後臺：庫特莉亞芙卡 李子琦
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/d415
宇宙大爆炸發生之後的幾億年內，中性氫、氦與暗物質組成的“原生湯”瀰漫在宇宙中。那時，恆星和星系還沒有形成，宇宙是完全黑暗的，因此這一時期被稱為宇宙的“黑暗時期”。幾億年後，我們宇宙中的首批恆星和星系形成了。然而，從我們今天的觀測條件來說，早期恆星與星系形成時期的宇宙仍舊難以觀測，因為那些恆星和星系對於我們的觀測視角而言太闇弱了。另一方面，如果我們能觀測到任何最早期星系的信號，就可以獲得關於宇宙黑暗時期的的寶貴信息。近期，Willis等人通過測定我們已知最古老的一批星系中恆星的年齡，找到了一些可能產生了我們已知最早恆星的星系。
圖 1
圖片來源 Nature
星系團是指數千個相互繞轉的星系，這些星系之間的相對速度約為每秒1000千米。這些星系在相當於百萬億太陽質量的暗物質的引力作用下被拉在一起。對於天文學家而言，這些星系團是許多天體物理理論的“實驗室”，他們通過研究這些星系團測量宇宙的組成、檢驗引力理論、探索星系如何形成。Willis利用我們已知最遙遠的星系團之一來研究宇宙中大質量星系開始產生恆星的時間。
相對於Willis組觀測的遙遠星系團，后髮座星系團離我們更近，但是精確測定其中單個星系的年齡十分困難，甚至無法分辨一個星系的年齡是70億年還是130億年。相比之下，Willis研究組利用哈勃望遠鏡尋找到的最遠處的星系在確定精確年齡方面更加可行。
光以有限的速度傳播，因此我們能觀測到的最遠的星系團也就反映了早期的宇宙（譯者注：我們已知最遙遠的一批星系，比如說100億光年外的星系，我們看到的它的光也就是100億年前發出的，因此反映了這個星系100億年前的樣子；而前文提到的離我們近的星系團使得我們觀測到的它的時期距離我們也近）。Willis組觀測的星系團距離我們104億光年，因此我們看到的這個星系團的樣子是宇宙大爆炸發生後33億年的樣子（見下圖）。
圖 2
圖片來源 Nature
Willis組發現他們觀測的星系團中有幾個星系呈紅色。這意味著這幾個星系中含有大量的老年恆星，也就是說紅色星系在我們看到它的時間點前很久就產生了第一批恆星。通過各種模型推斷，Willis組認為這些紅色星系的歷史可以追溯到宇宙大爆炸後3.7億年，最初的恆星開始形成的時代。有趣的是，他們一共觀測到19個這樣的星系，也就是說這些星系都有著類似的年齡和歷史。恆星形成的早期，一個開始形成恆星的星系會不會對相鄰的星雲產生某種作用，觸發一系列臨近星雲產生恆星？這還是一個尚待考察的問題。
圖 3
圖片來源 Nature
這項研究是我們用迄今能收集到的有限數據推測宇宙早期恆星形成的諸多成果之一，當然，和許多類似的研究一樣，由於我們能獲取的數據和證據實在有限，我們對於推定時間的可信度尚不清楚。比如說，Willis組觀測到的紅色星系除了可能是充滿古老恆星的星系，也有可能是富集著星際塵埃的年輕星系。我們希望未來將要發射升空的詹姆斯-韋伯空間望遠鏡（JWST）可以為我們收集到更多的數據。
Nature 577, 36-37 (2020)
doi: 10.1038/d41586-019-03893-7
『天文溼刻』 牧夫出品
弧形的銀河系照耀帕瑞納天文臺
圖片來源 ESO
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