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宇宙元老级大质量星系挑战早期星系演化模型

  最近,天文学家利用多台望远镜,惊喜地发现了一大批光学上不可见、存在于宇宙早期的大质量星系(质量跟今天的银河系相当)。这是科学家第一次证实在宇宙诞生后的前20亿年时间里,有如此数目庞大的大质量星系存在。它们的存在对于解释今天宇宙中最大的星系如何形成有重要意义。此外,早期宇宙中存在如此数目庞大的大质量星系,与当前的星系演化理论模型以及计算机模拟相悖,对早期宇宙中的星系形成理论也提出了新的挑战。
  为了更多地了解这些神秘的星系,科学家们进行了一系列的研究,并取得了一些初步的认识。
  首先,这些大质量星系有什么特点?科学家认为,其最主要的特点是从紫外、光学到近红外波段特别暗(optically invisible),导致它们在之前即使最深的哈勃空间望远镜的观测中也没有被发现。另外,相较于之前发现的宇宙早期的极个别、性质极端的大质量星系,这类新发现的星系数目更多,物理性质更具有代表性。
  其次,是什么让这些大质量星系“隐藏”得如此完美,难以被人们发现?主要是它们距离远、受尘埃消光严重,导致这类星系在紫外到近红外波段都极为暗弱,依靠传统观测星系的手段极难发现。
  那么,发现它们的ALMA(阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列望远镜)有什么特别之处呢?ALMA是位于智利北部阿塔卡马沙漠的由66座天线组成的干涉阵。它的主要特点是提供了前所未有的、在亚毫米波段和毫米波段观测(探测星系中的尘埃辐射的主要手段)的灵敏度和空间分辨率,使得我们能够利用相对较短的时间精确捕捉到100多亿年前形成的星系中的尘埃辐射。
  这些存在于早期宇宙中的数目庞大的大质量星系的发现,也对早期宇宙中的星系形成理论提出了挑战,对于我们重新理解宇宙早期星系的形成有着重要意义。
  在目前的宇宙早期星系演化模型(以及计算机数值模拟)中,早期宇宙的星系形成以小质量、尘埃含量少的星系为主,而大质量星系的形成较为困难,数目较少。这次发现的大量数目(空间密度高)的大质量、富尘埃星系超过了当前主流星系演化模型的预期。这一发现显示,我们的宇宙在其诞生早期形成大质量星系的效率要比我们预期的高得多。
  据天文学家测算,这些大质量星系存在已有118亿年。发现它们可以帮助我们解决哪些问题呢?
  就像引力波的发现为我们认识宇宙提供了新的手段一样,这类星系的发现为我们在光学波段之外发现和认识新的星系提供了最好的例子。
  从科学上来说,这类星系的发现帮助我们补全了宇宙中最大的星系形成历史中缺失的一部分。之前发现的宇宙早期的大质量星系数量很少,其数目不足以匹配今天的(以及宇宙中等年龄时)最大质量星系的数目,而这次发现的大批星系补上了这一漏洞。
  由于当前的星系演化理论模型,并没有预测出在宇宙早期就形成如此数目众多的大质量星系,因此这一发现又为我们理解早期宇宙的星系形成提供了新的思路和视角,促使我们重新思考早期宇宙的诞生。
  (作者单位:中科院国家天文台)
  (原载于《中国科学报》 2019-10-15 第8版 探索发现)

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