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2023-01-27 14:19

研究人员解释了早期宇宙中的星系是如何不同的

华盛顿[美国],1月26日(ANI):一篇新的论文报道,目前最敏感的望远镜正在搜索宇宙黎明的无线电信号,宇宙黎明是大爆炸后大约2亿年后恒星点燃的时代,灵敏度提高了一倍。虽然还没有探测到这种辐射,但红移21厘米的线已经对再电离时期星系的元素组成提出了新的限制。早期星系的金属含量似乎很低,这符合最流行的宇宙进化理论。

在《天体物理学杂志》接受发表的一篇论文中,氢时代再电离阵列(HERA)团队报告说,它已经将该阵列的灵敏度提高了一倍,该阵列已经是世界上最敏感的射电望远镜,致力于探索宇宙历史上这一独特的时期。

虽然他们还没有真正探测到宇宙黑暗时代末期的无线电发射,但他们的结果确实为早期宇宙中恒星和星系的组成提供了线索。特别是,他们的数据表明,早期的星系除了氢和氦之外,只含有很少的元素,这与我们今天的星系不同。

当无线电天线完全上线并进行校准时,理想情况是今年秋天,该团队希望构建一个电离氢和中性氢气泡的3D地图,这些气泡从大约2亿年前演变到大爆炸后大约10亿年。这张地图可以告诉我们早期的恒星和星系与我们今天看到的有什么不同,以及宇宙作为一个整体在它的青春期是什么样子。

“这是宇宙学中潜在的革命性技术。加州大学伯克利分校天文系的研究科学家、这篇论文的主要作者约书亚·狄龙说:“一旦你能达到你需要的灵敏度,数据中就有这么多信息。”“宇宙中大多数发光物质的3D地图是未来50年或更长时间的目标。”

其他望远镜也在观测早期宇宙。新的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)现在拍摄了一个存在于宇宙大爆炸诞生后大约3.25亿年的星系。但是JWST只能观测到在再电离时期形成的最亮的星系,而不是那些较小但数量多得多的矮星系,它们的恒星加热了星系间介质并电离了大部分氢气。

HERA试图探测填充在早期恒星和星系之间空间的中性氢的辐射,特别是确定氢何时停止发射或吸收无线电波,因为它被电离了。

事实上,HERA团队还没有在宇宙黑暗时代的冷氢中探测到这些电离氢气泡,这就排除了关于早期宇宙中恒星如何演化的一些理论。

具体来说,这些数据表明,最早的恒星可能是在大爆炸大约2亿年后形成的,除了氢和氦,它们几乎不含其他元素。这与今天恒星的组成不同,后者含有各种所谓的金属,从锂到铀等元素的天文学术语,这些元素比氦重。这一发现与目前关于恒星和恒星爆炸如何产生大多数其他元素的模型是一致的。

“早期的星系必须与我们今天观察到的星系有很大的不同,才能让我们看不到信号,”HERA的首席研究员、加州大学伯克利分校的天文学副教授亚伦·帕森斯说。“特别是,它们的x射线特征必须发生变化。否则,我们会探测到我们正在寻找的信号。”

早期宇宙中恒星的原子组成决定了恒星开始形成后加热星系间介质所需的时间。其中的关键是由双星产生的高能辐射,主要是x射线,其中一颗双星坍缩成黑洞或中子星,并逐渐吞噬它的同伴。由于重元素很少,伴星的大部分质量都被吹走了,而不是落在黑洞上,这意味着周围区域的x射线更少,加热也更少。

新的数据符合关于大爆炸后恒星和星系如何形成的最流行的理论,但不符合其他理论。一年前对HERA数据的首次分析的初步结果暗示,这些替代方案——特别是冷再电离——不太可能。

“我们的研究结果要求,即使在再电离之前,以及在大爆炸后的4.5亿年,星系之间的气体必须被x射线加热。这些可能来自双星系统,其中一颗恒星的质量被伴生黑洞所损失,”狄龙说。“我们的结果表明,如果是这样的话,这些恒星的‘金属丰度’一定非常低,也就是说,与我们的太阳相比,除了氢和氦之外,元素很少,这是有道理的,因为我们谈论的是宇宙中大多数其他元素形成之前的一段时间。”(ANI)