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宇宙是怎么变“重”的?

宇宙是怎么变“重”的?
2021-10-26 08:02:33 来源:中国青年网

宇宙浩瀚无穷,它在138.2亿年前诞生,在大爆炸中碰撞出元素的火花,在漫长的时光中沉淀出星空的璀璨。

宇宙中的星球有尺寸之分,星系有年龄之别,而其中的元素也有轻重之差。科学研究表明,宇宙诞生之初,只存在氢、氦、锂等轻元素,如今的宇宙中却普遍存在着碳、氮、氧等重元素。这些重元素是从哪里来的?

近日,清华大学天文系教授蔡峥课题组通过观测发现,早期宇宙星际间重元素的起源,与大质量星系有着密不可分的关系。该研究成果已于近日发表在国际学术期刊《自然·天文》,为宇宙星际空间重元素起源之谜提供了新的见解。

宇宙中的绝大部分物质并不集中在星系里,而在星系之间。这部分弥散在星系间广袤空间里的物质,被称为星系际介质。天文学家利用类星体光谱发现,在大爆炸仅9亿年后,星系际介质中就已经存在重元素了。

对这一现象,蔡峥给出了一个生动的比喻:“这就好比我们在一望无际的太平洋里航行时,突然发现水中有大量的水银一样。我们一定会觉得很奇怪,这些汞是哪里来的,是不是附近有船泄露了汞?”

为什么会莫名其妙地出现了重元素,它们又是如何进入星系际介质的?蔡峥表示,这些至今仍是观测宇宙学的关键问题。

2021年4月,国际学术期刊《科学》联合上海交通大学发布了增刊《125个科学问题——探索与发现》,“宇宙中重元素的起源问题”就位列其中。

一种假说认为,早期星系际介质中的重元素,主要是被小质量星系的恒星星风,或活动星系核反馈抛射到宇宙中的;微小星系的活动,似乎也是星系际介质重元素起源的原因。为了证明这一猜想,天文学家进行了大量的光学观测。

然而,小质量星系亮度低,观测受星际尘埃影响大,大多数光学波段的搜寻和探索都无功而返。

蔡峥团队利用ALMA阵列(阿塔卡玛大型毫米波天线阵列)射电望远镜开展了全波段探测。

他告诉中青报·中青网记者:“ALMA阵列位于智利北部的高原地区,当地气候干燥,是一个100多年都没有下过一滴雨的地方。再加上海拔5000米,空气稀薄,这里的天空特别干净,能够把地球大气对观测的影响降到最小。这样,我们就能够看到更远的地方。”

团队发现,宇宙红移6.04处的类星体J2054-0005所发射光束,在途经距离地球125亿光年外的某区域时,出现了比较明显的氧吸收现象。

蔡峥说,“如果现有的理论是正确的——重元素是由微小星系活动产生的,我们就不应该看到氧吸收体周围的星系。因为小质量星系亮度很低,距离如此遥远,可能怎么曝光都无法探测到。这就好比在北京点一支蜡烛,却在天津拿望远镜观察一样,我们是很难观察到微小星系的信息的。”

他认为:“与传统理论预言的小星系完全不符,我们观测到了一个非常明亮的大质量星系,在向宇宙中抛出大量氧等重元素!”

在进行数据分析和处理后,团队发现一个巨大星系,它位于这些宇宙早期星系际介质中的氧元素附近,星系与氧吸收体的距离约6万光年,这个距离尺度意味着,氧吸收体位于该巨大星系的暗物质晕边缘。

蔡峥和学生吴昀荆将该星系与理论上的数值模拟进行对比,发现该候选星系的质量要比理论预言的重1-2个数量级,该星系与其吸收体的距离,也超出理论预测的1个量级。

“这清晰地证明,宇宙早期星系际介质中的重元素,也许并不全部起源于小星系的活动,来自巨大星系的贡献,很可能比先前科学界所认为的重要得多。”蔡峥说。

团队还发现,巨大星系通过反馈作用,能够将重元素“抛”到非常远的距离。星系际介质中的重元素,距离候选的大质量星系有10万光年的距离。而宇宙早期巨大的星系直径,也不过是2万光年左右。

“通过这样的比较,我们可以感受到大质量星系所具有的巨大‘力量’,以及它对于宇宙早期重元素形成的重要作用。”蔡峥说。

责任编辑:kj005

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