紀錄二連破!連續發現最古老星系 揭示早期宇宙「常態」

2022-08-07 01:28:37 最後更新日期:2022-08-11 16:25:37
William Lam

現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

cvn4AGLASS z-13 (左)和CEERS-93316(右)都是韋伯望遠鏡拍攝到的最遠/古老及第二(或三)遠星系紀錄保持者。前者就在玉夫座韋伯超深空1號照片中出現,後者則在牧夫座的天區中被發現。雖然後者更遠更古老,但兩者本質似乎都是一樣:2至3千光年級極早期星系。(照片來自維基百科NASA) 

 

究竟宇宙最早期星系有多早?2012年時人們會靠訴你大約是宇宙創生後8億年,然後這個紀錄就極速推前,到2016年時已推到大爆炸後4億年。這個紀錄一直保持了6年,直到今年4月發現HD-1星系才「有望」被打破。不過韋伯望遠鏡這兩星期曝光的數據,卻連續兩次打破紀錄,由HD-1的3.3億年一直推到2億年左右!

 cvn4C尚未經同儕評審論文First Batch of Candidate Galaxies at Redshifts 11 to 20 Revealed by the James Webb Space Telescope Early Release Observations中,研究團隊分析另一批韋伯望遠鏡深空照片背景中的微光,發現約四個不肯定是什麼星體的微光有達20的紅移值,圖中為其中三個。由於成像太小(又或原本星體體積太小),很難確定它是什麼。(圖片可見上面連結)

 

天文學家根據韋伯望遠鏡發表的第一張韋伯超深空圖像,在7月21日公報發現其中一個暗淡銀河系GLASS z-13的紅移值達到13.4-13.5,和HD-1的估計值不相伯仲,不過HD-1有待韋伯望遠鏡再拍攝其清晰的紅移數據,所以GLASS z-13暫時還可放第一位。然而不到一星期後,另兩個以韋伯望遠鏡回傳資料作研究的團隊,發現多個紅移遠超上兩者的早期星系,其中已初步確認的有三個似乎達到紅移值15以上的,最遠的CEERS 93316星系更達16.74,亦即大約相當於大爆炸後2.35億年。更嚇人的是,另一支團隊指應該已發現紅移已經達到20的物體,只是尚需進一步確認。若最後確認那是星系且數據正確,那星系在宇宙創生後1.8億年就存在!

v2 1d紅移是一種光學現像,和都卜勒效應有點類似。不過光束是恒定的,所以改變只能體現在波長上,物體向你衝來時,光波波長會變短(偏藍),相反物體遠離你時發出的光,波長會變長,這就所謂紅移。而在光譜上,紅移會表現不同物質對應光波的吸收線會偏向紅色,偏向愈大即使表遠離速度愈大。在宇宙尺度上,基於大爆炸理論,遙遠星系會隨空間膨脹而漸漸遠離我們,而空間膨脹期本是個常數,距離愈遠,膨脹及遠離速度會呈正比例的上升,只要我們掌握紅移的數值(z=?),就可以大概得出物體發出的光到我們被觀測到時的距離。而亦由於光速恒定,這距離亦能倒推斷出這道光究竟在多少年前發出的,從而亦能得知該物體大概的年齡。(圖片及資料來自連結)

這種宇宙極早期星系,大小其實有點像現時的巨型星雲(如蜘蛛星雲),都是大型恒星密集誕生的區域,但早期星系的質量就大得多,達到5至10億個太陽質量,相對地蜘蛛星雲大約就只有100萬個太陽質量。根據部分宇宙早期演化理論所言,這些極小型星系可說是今日大部分星系的起源,經過宇宙最初10億年間各原始星系的合併與進一部吸收尚仍充裕的星際氣體,才漸漸形成大型星系。事實上,現時發現最古老、大約在宇宙創生8億年後才出現的較大型星系卑彌呼(直徑大約5.5萬光年及400億大陽質量),就很合乎這種觀測結果。

cvn4E蜘蛛星雲是本星系群中最明亮、最活躍的一個星雲 / 電離氫區,位於銀河系的衛星星系大麥哲倫星系中,恒星數量達50萬個,事實上,極早期星系可能也有類似情況,只是規模更大且在孕育過程中還不斷吸積星際氣體而已。若講到恒星數量更少而言,它更有可能是少於宇宙誕生後2億年那些幾乎看不到光的星體的真正模樣。(照片來自NASA)

 

不過在最遠 / 最古老星系紀錄不斷突破的情況下,天文學家也面對另一問題:這些極早期星系究竟是怎樣形成?到現時為止其實有兩個較主流且都和黑洞有關的理論,需要作進一步驗證。

cvn4B去年才發現的一個原初星系所組成的星系團,大約於宇宙創生後7.5億年形成,有可能也在開始合併成大星系的早期階段。(圖片及資料來自連結)

 

第一個理論比較正常,就是大約在宇宙放晴後1億年左右(現時一般星雲都是在相若的時間下由冷份子雲演變成恒星),部分星際密質較密集的區域已開始有恒星出現。基於早期宇宙尺度較少,氣體也更為濃密,新形成的初代恒星(或可稱第三星族)不但質量巨大,且更容易密集出現。密集出現後又會吸引更多氣體雲,聚集後又因引力塌縮而出現更多恒星,結果形成初代星系。及後最早一批出現的恒星很快又變成黑洞,距離更近且互相合併,迅速形成大質量黑洞後,更進一步吸引周圍的氣雲與小星系,開始形成更大的星系。

3 cosmologists現時已開始有宇宙物理學家將原初黑洞(宇宙極早期非由大質量恒星毀滅而產生的黑洞,質量大小不一)代入宇宙創生的理論模型,試圖解釋宇宙結構及大型天體在極早期就開始形成的原因。(圖片來自Phys.org)

 

另一個比較「另類」的新建解是原初黑洞早就出現並推動星系誕生及演化。一直有理論指早期極端宇宙環境也能產生最早期的黑洞,而且其形成猜測也有很多,例如早期暗物質構成或者真空相變時局部區域擠壓等。不過以上猜測的後果都基本類同,就是極早期大質量原初黑洞進一步吸引周圍濃密的星際氣體,形成最初的氣體雲並開始孕育恒星。這些氣體雲就是早期星系的「來源」。之後的演化過程基本上就和第一個假說一樣了。

PWMay22Randall fig2耶魯大學的團隊經過估算,發現依照傳統大爆炸模型中,最初期星際氣體在沒有外力干擾下,至少要數億年才能收縮並育成初代恒星,星系開始形成更要到宇宙創生10億年後,更加不會出現星系核心超大質量黑洞。這已經無法契合2010年代以後的天文發現,只有代入元初黑洞的模型,才有可能在宇宙創生後頭三億年內出現恒星乃至星系。今年初以來不斷破紀錄的最遠 / 最古老星系發現,似乎也進一步印證這種原初黑洞解說。(圖片及資料來自連結)

 

以韋伯望遠鏡的「本事」,若宜的有能力看到並測量宇宙創生後2億年多一點的原始星系,其實有機會可驗證以上理論哪一個才是可靠,甚或可能發現第三條形成理論出來;不過若真的發現紅移達20甚至更高的天體,並確定它們是什麼,那不但可以進一步確認上面理論的正確性,甚至可以借由這段時期的星際物質密變化及一些特殊天體的形成,進入宇宙學中「黑暗時代」(宇宙形成後至2億年基本沒有星系、只有極少恒星暉光的時代),了解最早期恒星誕生、星系前身的氣體雲如何吸聚及形成、是否有原初黑洞(或其吸積盤),以及預期中積聚的暗物質如何改變宇宙及星系的面貌等,都有重要的研究價值。

 

發佈於 科學新知
By 2022-08-07

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