“綠豌豆”帶來130億年前宇宙再電離圖景

天聞頻道

由天文愛好者發現的“綠豌豆”星系，正在幫助專業天文學家揭開宇宙黑暗時期的奧秘。

近日，瑞士天文學家安妮⋅維漢研究發現，“綠豌豆”星系可能會發射出大量電離光子。這種電離光子就像魔法棒，能使宇宙中的中性氫（不帶電）變成電離氫（帶電）。由於“綠豌豆”星系與宇宙嬰兒期的原初星系十分相似，天文學家推測宇宙再電離時期可能與原初星系有關。為了表彰安妮的研究，9月16日，瑞士國家科學基金會將授予她瑪麗⋅海姆-沃格林獎。

宇宙再電離是什麼？“綠豌豆”能揭示宇宙早期歷史的奧秘嗎？

整個宇宙近乎完全處於電離狀態

大約140億年前，宇宙發生了大爆炸，之後隨着膨脹，宇宙逐漸冷卻下來。當降低到某一臨界温度後，宇宙中的電子和質子會複合形成氫原子，拉開了宇宙黑暗時代的帷幕。在這個時期，整個宇宙中沒有恆星也沒有星系，到處都充滿了中性氫原子，這一狀態持續了幾億年。

雖然這個時期的宇宙寒冷、沒有光，但大量的氫原子開始在引力作用下不斷塌縮，形成了最初的原恆星。隨着第一代恆星誕生，宇宙黑暗時代謝幕，逐漸進入黎明時期。

第一代恆星和星系形成後，天文學家觀察到宇宙中的中性氫重新被大量電離，於是他們推測，第一代的恆星和星系發射出了大量電離光子，使其周圍的中性氫發生電離。這一過程，就是宇宙再電離時期。

“在宇宙的不同時期，氫的總體佔比基本不變，但在宇宙再電離時期，中性氫和電離氫的比例隨着時間流逝而發生變化。”中國科學院上海天文台研究員鄭振亞長期從事宇宙再電離時期的觀測研究，他在接受科技日報記者採訪時表示，“宇宙再電離結束後一直到當前，宇宙近乎百分之百處於電離的狀態。這是因為宇宙的紫外電離光子數目多、截面大，很多恆星和星系一直在放出紫外光子，紫外光子的產生大於它的消耗。所以，只要紫外光子足夠多，就能使中性氫保持為電離狀態。”鄭振亞解釋道。

中性氫和電離氫的差異可以藉助一種特別的發射線來識別，也就是“萊曼α輻射”，它是氫原子第一激發態到基態能級躍遷對應的輻射。鄭振亞告訴記者，中性氫在轉化成電離氫的過程中，有超過60%的概率會釋放出萊曼α輻射，所以天文學家們可以藉助萊曼α輻射的發射或吸收特徵來了解宇宙中電離氫和中性氫的具體比例。

天文學愛好者帶來的重大發現

通常，天文學家會結合宇宙微波背景輻射研究和宇宙早期星系研究，來揭示宇宙再電離的演化歷史。

這一次，安妮在宇宙再電離研究方面的突破離不開“綠豌豆”星系，這是天文愛好者在2009年發現的一批微型星系，距離地球15—50億光年之遙。它們的體積不足銀河系的十分之一，質量不足銀河系的百分之一，但在這些星系內形成恆星的速度卻要快10倍。

鄭振亞告訴記者：“實際上，‘綠豌豆’星系誕生在宇宙大爆炸100多億年以後，它們並不是宇宙最早的星系。但由於‘綠豌豆’星系很矮、很小且緻密，我們猜測它們與宇宙原初星系類似。”

利用哈勃太空望遠鏡的觀測數據，安妮及其團隊證明“綠豌豆”星系確實會發射大量電離光子。專家表示，如果“綠豌豆”類似於原初星系，那麼很可能是超過130億年前的原初星系觸發了宇宙再電離。

鄭振亞告訴記者，與銀河系相比，原初星系質量比較小、緊湊緻密，沒有像銀河系這樣的旋臂存在。如果説，銀河系看起來是個盤，那麼原初星系就是一個點。

受到觀測水平限制，天文學家能蒐集到的原初星系樣本很少。2017年，鄭振亞及其研究團隊獲得了一個宇宙早期（大爆炸後約8億年）的星系樣本，並由此發現當時的宇宙中星際介質裏氫的電離比例約50%。“探索更早期的宇宙，揭開宇宙再電離的奧秘，有助於瞭解宇宙的整體演化過程，並理解宇宙中恆星和星系的形成與演化。”鄭振亞説。