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2011-10-11 首度在早期宇宙中偵測到大量碳元素

 
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The optical image of TN J0924-2201, a very distant radio galaxy at z = 5.19, obtained with the Hubble Space Telescope. (c) NASA/STScI/NAOJ.  日本愛媛大學(Ehime University)與京都大學(Kyoto University)、羅馬天文台(Rome Observatory)、佛羅倫斯大學(University of Florence)等機構的天文學家Kenta Matsuoka等人,利用位在夏威夷的8.2米昴望遠鏡(Subaru Telescope)及暗天體相機與光譜儀( Faint Object Camera and Spectrograph,FOCAS),在早期宇宙、目前已知最遠的電波星系(radio galaxy)TN J0924-2201中偵測到碳的CIVλ1549發射譜線(emission line)。這是天文學家首度在這麼遙遠的星系中偵測到它的化學組成。

  TN J0924-2201距離約125億光年,所以在TN J0924-2201中偵測到碳元素的發射譜線,顯示在125億年前、相當於大霹靂之後僅不到10億年的時間內,就已存在含量不低的碳元素。這對瞭解宇宙中的化學元素演化相當有幫助,且提供人類為何會有這樣的化學組成的線索。

  我們的宇宙約在137億年前經由大霹靂誕生,當時主要製造出氫與氦元素,以及極少量的鋰元素。此後經一代代恆星演化、超新星爆炸等過程,才讓氫與氦以外的其他重元素(或稱「金屬元素」)愈來愈豐富。瞭解化學元素的演化史,等於瞭解宇宙演化史,也才能瞭解人類組成的來源。

  天文學家透過測量宇宙中各種距離的天體所含有的金屬豐度(metallicity)來瞭解元素演化。一般來說,紅移值z愈高的天體,距離愈遠,也位在愈早期的宇宙中;尤其是電波星系是最佳目標,因為它們在可見光和電波波段都夠亮,可提供足夠的測量數據。

  而Matsuoka等人這次的目標,更是之前從未有人測量過、距離非常遠(紅移值非常高)的電波星系。其實Matsuoka等人之前曾研究過z小於4、距離近一些的電波星系,當時的研究結果顯示主要的金屬元素演化時期應該在比z<4遠得多的宇宙早期,因此才會挑選紅移值相當於5.19的TN J0924-2201作為目標。

  利用昴望遠鏡FOCAS系統,取得這個星系的可見光光譜,在這光譜中首度偵測CIVλ1549的碳發射譜線,其中C為碳的化學符號,IV為羅馬字母「4」之意,代表碳原子最外圍的3個電子被游離而帶3價正電,λ1549代表譜線位在波長1549埃之處。這項成果顯示:在z>5宇宙早期中的TN J0924-2201已經經歷明顯的化學元素演化,所以早在125億年前,就已經出現許多金屬元素,為未來在早期宇宙探索其他重元素的研究開啟一扇光明之窗。

資料來源:http://www.subarutelescope.org/Pressrelease/2011/10/05/index.html, 2011.10.05, KLC

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