“再电离”之谜的新线索：来自遥远星系的第一束光

这张天空深场视图（deep-field view）由NASA哈勃望远镜和斯皮策太空望远镜拍摄，图中主要是星系，包括一些非常微弱、遥远的星系 （红色圈出）。右下方插图显示的是在长时间观测期间从其中一个遥远星系收集的光。
Credits: NASA/JPL-Caltech/ESA/Spitzer/P. Oesch/S. De Barros/I.Labbe

NASA斯皮策太空望远镜（Spitzer Space Telescope）透露，宇宙中一些最早的星系比预期的要亮。额外的光来源于星系的副产品——大量的电离辐射（ionizing radiation）。这一发现提供了引发“再电离时期（Epoch of Reionization）”的线索，EoR是宇宙演化过程中的一个重要事件，此后宇宙从不透明的“混沌”变为今日所见的满天繁星。

在一项新研究中，研究人员报告了一些最早期星系的观测结果，它们是在大爆炸后不到10亿年（或130多亿年前）形成的第一波星系。数据显示，在一些特定波长的红外光中，这些星系比科学家预测的要亮得多。这项研究第一个证实了此现象：这一时期的大量星系样本都具有超过预期的亮度，表明这些“亮度过高”不是特殊情况。

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没有人知道我们宇宙中的第一批恒星是什么时候形成的。但是有证据表明，在大爆炸后大约1亿到2亿年之间，宇宙中充满了中性氢气（neutral hydrogen gas），它们可能刚刚开始凝聚成恒星，然后开始形成第一个星系。在大爆炸后约10亿年，宇宙变成闪耀的星空。中性氢气的电子被有足够能量的光子剥离（此过程称为电离），“再电离时期”记录了宇宙从充满中性氢转变为充满电离氢（ionized hydrogen）的阶段。

在整个宇宙的转变之前，波长较长的光，比如无线电波（radio waves）和可见光（visible light），基本都能不受阻碍地穿越宇宙。但波长较短的光，包括紫外线（ultraviolet light）、X射线（ X-rays）、和伽马射线（gamma rays），会被中性氢原子阻止。光子的能量与波长成反比，所以波长较短的光能量高。当具有大于氢原子电离能（ionization energy）的光子撞到无处不在的氢原子时，这些碰撞会剥离中性氢原子的电子，使它们电离。

这张概念图描绘了宇宙中最早星系可能的样子。高频率且猛烈的恒星形成与恒星死亡会照亮恒星之间的气体，使得星系大部分不透明、没有清晰的结构。
Credits: James Josephides (Swinburne Astronomy Productions)

但什么能产生足够的电离辐射来影响宇宙中的所有氢呢？是单独的恒星？或是巨大的星系？如果其中一个是“罪魁祸首”，那么说明这些早期宇宙的殖民者与大多数现代恒星和星系不同，后者通常不释放大量的电离辐射。或许其他东西引起了这一事件，例如类星体（quasars），它们是中心非常明亮的星系，有着大量物质驱动的超大质量黑洞。

“这是观测宇宙学中最大的开放式问题之一，”该研究的第一作者、瑞士日内瓦大学的博士后研究员Stephane De Barros说，“我们知道它发生了，但是是什么导致了它？这些新发现可能是一个很大的线索。”

追光

为了回到“再电离时期”即将结束之前的时代，斯皮策分别盯着两个天空区域超过200小时，收集了“走了”超过130亿年才到我们这儿的光。

作为斯皮策有史以来进行的最长的科学观测，这是GREATS观测计划的一部分。GREATS是斯皮策GOODS Re-ionization Era wide-Area Treasury的简称（GOODS是Great Observatories Origins Deep Survey，大型天文台宇宙起源深空场巡天的缩写）。该研究同时使用了NASA哈勃太空望远镜的档案数据，研究结果发表在英国皇家天文学会（Royal Astronomical Society）月刊上。

通过斯皮策这些“超深”的观测，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明亮，这些红外光是由电离辐射与星系内的氢气和氧气相互作用产生的。这意味着这些星系主要由年轻的大质量恒星组成，而这些恒星的主要成分是氢（H）和氦（He）。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（比如氮、碳、氧，以及所有比氢和氦重的元素）。

这些恒星不是宇宙中形成的第一波恒星（仅由氢和氦组成），但它们仍是早期恒星的成员。“再电离时期”不是一个瞬间事件，虽然新研究结果还不足以揭示真相，但它确实提供了一些新细节，有关于宇宙如何在这个阶段演化以及过渡是如何完成的。

“我们没想到，斯皮策还没呼拉圈儿大的镜面能够看到‘黎明时刻’的星系，” 喷气推进实验室（位于美国加利福尼亚州帕萨迪纳市）的斯皮策项目科学家Michael Werner说道，“但大自然充满惊喜，这些早期星系的意外亮度，加上斯皮策的卓越表现，使我们小而强大的天文台发现了这些星系。”

NASA的詹姆斯韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）将于2021年发射，它的红外线覆盖范围将超出斯皮策。此外，斯皮策的主镜直径只有85厘米，而韦伯有6.5米，大约是斯皮策的7.5倍，这使韦伯能够更详细地研究这些星系。事实上，韦伯将试图探测来自宇宙中第一批恒星和星系的光。新的研究表明，由于它们在这些红外波长中的亮度，对于韦伯来说，研究斯皮策观测到的星系比之前认为的更容易。

“斯皮策的这些结果必定是解决宇宙再电离之谜的又一步，”日内瓦大学助理教授、该研究的共同作者Pascal Oesch说，“我们现在知道，这些早期星系的物质条件与现在典型的星系非常不同。韦伯的目的就是告诉我们详细的原因。”

JPL负责管理NASA科学任务理事会的斯皮策太空望远镜任务。加州理工学院的斯皮策科学中心负责科学运营。洛克希德马丁太空系统（位于科罗拉多州利特尔顿）负责太空运营。数据存储在加州理工学院IPAC的红外科学档案。加州理工学院为NASA管理JPL。

有关斯皮策的更多信息，请访问：

http://www.nasa.gov/spitzer
www.spitzer.caltech.edu/

参见
https://www.nasa.gov/feature/jpl/new-clues-about-how-ancient-galaxies-lit-up-the-universe