侦测到来自第一代恆星发光的讯息

侦测到来自第一代恆星发光的讯息

暗能量巡天计划由来自40多个国际机构的400多名科学家合作,自2013年至2018年执行对南方天空约5000平方度的区域使用5个波段进行观测,记录距离地球数十亿光年的3亿个星系的讯息,暗能量巡天计划的目的在解答宇宙膨胀加速的现象,检讨是否爱因斯坦的广义相对论需要修正,或是可能存在的暗能量对宇宙施加了相反的”引力”导致宇宙加速膨胀?

天文学家发现了一颗在105亿年前爆炸的超新星,并将其命名为DES16C2nm。

这颗超新星是天文学家在暗能量巡天计划(Dark Energy Survey, DES)的观测资料中发现的,由多个国家及团队合作搜索数亿个星系,期望能更深入了解暗能量的秘密及诠释其在宇宙加速膨胀过程中扮演的神秘角色。

2016年8月首次发现的DES16C2nm,在当年的10月,天文学家利用智利的超大望远镜、麦哲伦望远镜及夏威夷的Keck天文台观测并测得它的距离和最大亮度。

美国亚利桑那州立大学(Arizona State University)Judd Bowman领军的研究团队首度捕捉到来自宇宙大霹雳诞生后仅约1.8亿年的第一代恆星所发出的光的讯息。这个讯息其实是早期宇宙中的氢吸收了部分第一代恆星发出的初始光芒,而在背景辐射中留下的印记;而这个侦测结果显示早期宇宙中的气体温度,比之前预期的还低,天文物理学家们认为,这极可能是受到暗物质(dark matter)影响之故。若此推测为真,那麽这项研究将是天文上第一次透过重力以外的其他方式侦测到暗物质,是暗物质研究的一大跃进,也能对这个鲜有讯息的宇宙极早期历史有进一步的瞭解。。

团队的天文学家南安普敦大学(University of Southampton)的马修史密斯博士(Dr Mathew Smith)表示DES16C2nm是非常遥远而明亮同时也非常罕见的天体, 它可以提供深入了解超亮新星的成因,从紫外线的观测可以了解其金属含量及爆炸时的温度,对于了解这些爆炸的原因至关重要。

第一代恆星的荧荧之光

  现行理论认为宇宙在138亿年前的大霹雳中诞生,初始为一片离子化的电浆海,之后因宇宙膨胀而快速冷却。大概在过了37万年之后,这片电浆海裡开始逐渐形成中性氢原子。尔后随著时间流转,在重力的影响之下,氢原子逐渐聚集成球状,点燃核心的和融合反应而成为一颗颗恆星。这个转变期就是所谓的「宇宙曙光(cosmic dawn)」。

  来自这个第一代恆星的光,对地球望远镜而言昏暗得难以捕捉,但天文学家一直冀望能透过间接方式来观察第一代恆星的黯光:这些光一旦穿越填满恆星之间氢原子时,其性质会稍微被改变;这些变化能使氢气吸收部分宇宙微波背景辐射(cosmic microwave background,CMB),CMB是大霹雳的馀晖(afterglow),以波长21公分的无线电波波段就能侦测CMB被吸收后的背景辐射强度减弱变化。

  为了能间接侦测到CMB被改变的讯息,Bowman等人利用西澳默奇森电波天文台(Murchison Radio-astronomy Observatory)EDGES电波望远镜(Experiment to Detect the Global Epoch of Reionization Signature)来进行观测。然而,由于我们的银河系和人类活动产生的FM电波波段恰与想要寻找的CMB被吸收的讯号相同,所以研究人员必须小心仔细地过滤这些比想要侦测的讯号还要强许多的无用讯号。

  Bowman等人很快地就在预期的波段裡发现了预测中的讯号,而且虽然辐射量下降了0.1%左右,但仍比预测强度还强2倍左右。Bowman等人又耗费了2年,确认这个讯号并不是仪器或其他原因造成的杂讯,甚至还设置第2座电波天线,多次指向不同的天区,最后通过所有假设和测试,确定,只有CMB辐射被吸收这一项能解释。

  由于来自宇宙曙光时期的辐射的波长会因宇宙膨胀之故被拉长,天文学家可据此回推辐射来自何时,最后Bowman等人测定这个宇宙曙光讯号最初来自大霹雳后约1.8亿年;之后这个讯号会被愈来愈浓的第一代恆星死亡时发出的X射线加温而破坏,所以从这项观测又可推测出这个讯号会在大霹雳后约2.5亿年消失。

  瞭解这些初始恆星很重要,因为它们不仅会影响改变周围物质,也在它们的演化和死亡爆炸过程中製造出各种重元素,成为下一代恆星製作的原料。如果我们真的想知道人类的起源,那麽第一步绝对就是要瞭解第一代恆星如何诞生和演化。

暗能量巡天计划DES使用的仪器是安装在智利安第斯山脉塞罗托洛洛美洲天文台(Cerro Tololo Inter-American Observatory ,CTIO)4米望远镜上的暗能量相机(Dark Energy Camera, DECam),具有5亿7千万相素。

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