麻省理工學院科學家發現宇宙中最初的恆星

類別: 新奇

第一顆恆星的誕生是宇宙漫長曆史中的一個重大時刻,麻省理工學院副教授 Robert Simcoe 這樣描述。“恆星的誕生使宇宙從誕生之初滿是氣體和暗物質的混沌,邁入了我們現在看到的這般點綴著恆星和星系……它意味著宇宙開始聚合成我們今天看到的這個樣子。恆星誕生時間之久遠令人驚奇,而且這一過程並沒有耗費很久的時間。”

來自麻省理工學院、加州理工學院以及加州大學聖迭戈分校的學者們將視野伸向了時間誕生之初,即恆星及星系誕生之初的紀元,確定了不存在重元素蹤跡的時間。為了確定這個時間點,研究團隊分析了已知最遙遠的的類星體的光譜,這個類星體就如宇宙的核心一般,距離地球130億光年之遙。

對類星體的觀測為人類展現了宇宙初生時期的樣子——大約在大爆炸發生7億5千萬年之後。對類星體光譜分析證實了類星體周圍的氣體星雲中不存在重元素——證明了類星體的存在距恆星產生的時期很相近。

“恆星最初會形成於宇宙中的不同地區……而不像是在同一時期突然出現。”麻省理工學院物理系副教授 Rober Simcoe 說到,“但這正是令人覺得有趣的時候。” Simcoe 及其同事已經將研究成果發表在《自然》雜誌上。

麻省理工學院科學家發現宇宙中最初的恆星

基於一些理論模型,科學家普遍認為宇宙早期的發展遵循以下順序:大約140億年前,發生了一場巨大的爆炸——又稱為“宇宙大爆炸”,大爆炸將巨量的物質及能量拋撒開來,創造了迅速膨脹的宇宙。在大爆炸後的數分鐘內,質子和中子在聚變反應中互相碰撞,生成氫和氦。最終,宇宙的溫度下降到聚變反應停止,也就不再產生基本元素,所以氫元素就是組成宇宙的最主要元素。而重元素(例如碳和氧)則直至第一顆恆星形成時才出現。

天文學家一直致力於分析遙遠星系的光譜以分析第一顆恆星誕生於何時。宇宙中距離我們越遙遠的事物,其年齡越久遠。在這之前,人類最遠只觀測到距今110億年前的物體。這些物體皆含有重元素,說明恆星在這宇宙的這一時期已經很多,至少已經有存在。

“天體物理學在這兒碰壁了,” Simcoe 表示,他同是也是麻省理工 Kavli 天體物理學與空間探索中心的學者。“但是這個類星體的發現,使得我們可以在觀測的時間上大幅向前追溯,使得我們的測量在時間上更加古老。”

本文中發現於去年8月的類星體是迄今為止發現的最遙遠的類星體。為了研究如此遙遠的物體,Simcoe 及其同事搭建了一架紅外光譜儀,並將其搭載在位於智利的巨型地基望遠鏡“麥哲倫望遠鏡”上。

今年一月,研究團隊在新發現的類星體上試驗瞭望遠鏡,從光譜中收集了相關資料。光譜儀將接收到的光線劃分到不同的波長範圍之中,研究者將結果製成了圖表。接著 Simcoe 就從中尋找蛛絲馬跡,將不同元素髮射出的光波對應起來。“每種化學元素都有指紋,根據其吸收的光譜成分,就能辨別出物體的元素組成。” Simcoe 指出。

Simcoe 的研究團隊鑑定了類星體的“固有光譜”——由物體本身釋放的光譜——並和與已有資料進行比對,以期找出重元素的蹤跡。他們發現了氫元素,但卻沒能從光譜中發現氧、矽、鐵或是鎂。但是要完全確定重元素不存在則是一項艱鉅的任務。Simcoe 感嘆道:“要確定某樣東西的缺失總是很困難的。”

研究者考慮了各種可以解釋他們觀測到的光譜的情況,包括新生的星系或是其他擋在類星體之前的物質。他們的努力最終確定了大爆炸之後7億5千萬年的類星體光譜顯示出其不含有重元素。

進一步,Simcoe 希望分析其他處於同一時期的類星體,進一步確認這一時期的宇宙不含重元素。“如果我們能在這個紀元中發現我們的目標,就可以著手進行分析,” Simcoe 說,“在科學探索的邊緣地帶總會有驚喜。”——援引自《自然》雜誌。

本文中的照片來自於哈勃超深空場望遠鏡,它包含了超過5500個星系——數十億恆星組成的島嶼。由哈勃望遠鏡從2003年9月24日至2004年1月16日之間觀測到的資料可以發現,天爐座星系的一小片區域可以追溯到130億年前(大爆炸後約4億至8億年)。[老人愛怡 via dailygalaxy]

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