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2011-10-13 天文學家首度建立宇宙再游離時期的變化時程表

 
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Artist impression of galaxies at the end of the era of reionisation. Credit: ESO/M. Kornmesser  INAF羅馬天文台(INAF Rome Astronomical Observatory)天文學家Adriano Fontana等人,利用歐南天文台(ESO)超大望遠鏡(Very Large Telescope)探索早期宇宙中,對紫外光而言變透明的階段,即所謂的「再游離時期(reionisation)」。再游離時期大約發生於130億年前;藉由小心測量一些最遙遠星系的狀況,這些天文學家首度能建立再游離過程的時程表,且證明這個階段必定發生得比天文學家原本設想的還快。相關論文發表在天文物理期刊(Astrophysical Journal)中。

  這些天文學家耗費3年時間所測量的這些迄今已知最遙遠星系,大都位在大霹靂後約7億8000萬年到10億年之間的時期中。距今130億年前的再游離時期,原本電中性的氫霧被星系或恆星所發出的輻射游離而變成離子,讓紫外光可以穿透而抵達地球,地球上的觀察者才能透過望遠鏡觀察瞭解該時期發生了什麼事件。

  Fontana表示:考古學家從不同土層中發現的人造物品,可以重建某個歷史時期的概貌。天文學家的工作也是類似,但更好,因為可以藉由直接觀察不同宇宙時期中不同星系所發出的微光而直接看到遙遠的過去。星系之間的差異性可以告知我們宇宙在各個重要時期的變化狀況及變化速度。

  由於不同化學元素所發出的光譜特徵不同,從各元素固定的發射譜線可以反過來鑑定該天體含有哪種化學元素。其中一條最強、最亮的紫外發射譜線就是氫原子的萊曼-Alpha譜線(Lyman-alpha line),因此即使在遙遠又昏暗的星系光譜上,也通常可以鑑別出該譜線的存在。

One of the most distant galaxy NTTDF-474 seen when the Universe was only 820 million years old. Credit: ESO/ L. Pentericci  Fontana等人研究20個紅移值大於7的遙遠星系後,在其中5個最遙遠的星系譜線中確認出萊曼-Alpha譜線特徵,讓他們可以從事兩個關鍵工作:第一,從萊曼-Alpha譜線往紅光部分偏移的大小(即所謂的紅位移),可以估算出這些星系的距離,再以之估算大霹靂之後多久可以見到這些星系;從這些資料,天文學家就可以建立一個星系發出的光線如何隨時間演化的時程表。

  第二,不同時間點的星系內氫離子的萊曼-Alpha譜線,都有被星系際空間中的中性氫氣吸收的狀況,在Fontana等人所研究的星系中,最早的星系(紅移值7.1)和最晚的星系,紫外光被遮蔽的比例差異頗大。例如:大霹靂之後僅7億8000萬年的最早星系周圍,中性氫氣非常豐富,佔了當時宇宙整體體積的10~50%左右;但在2億年之後,中性氫的比例降到非常低的程度,與今日差不多。所以看來似乎再游離發生個過程必定比天文學家之前想的還要快很多。

  除了探索氫霧被清除的速率外,Fontana等人的觀測也顯示紫外光應是使再游離發生的主要能量來源。目前有多種討論使再游離發生的光線來源的理論,其中最可能的來源是宇宙的第一代恆星(星族III,Population III),另一種較可能的來源是物質落入黑洞過程中所發出的強烈輻射。(註:星族III恆星指幾乎不含氫與氦以外重元素的恆星,基本上只有在宇宙非常早期時才存在,不過迄今不曾觀測到星族III的恆星過。)

  而仔細研究其中兩個迄今已知最遠星系所發出的昏暗光線後,Fontana等人認為宇宙第一代恆星應該是再游離能量來源的首選。因為第一代恆星應該都是非常年輕的大質量恆星,比我們的太陽還年輕5000倍以上,質量更可能高達太陽的100倍以上,所以它們所發出的輻射絕對強烈到足以使氫霧再游離,讓宇宙變透明。

  這些天文學家計畫在ESO下一代的新望遠鏡—歐洲極大望遠鏡(European Extremely Large Telescope,E-ELT)完成後,利用E-ELT繼續確認他們的這個理論假說是否正確。

資料來源:http://www.eso.org/public/news/eso1138/, 2011.10.12, KLC

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