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　　最近，宇宙演化史上的一個(gè)巨大空白終于被天文學(xué)家填補(bǔ)上了。利用多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，他們驚喜地發(fā)現(xiàn)了一個(gè)隱藏的大型星系群。宇宙從誕生至今已經(jīng)有 138 億的歷史，而這些大型星系卻在 118 億年之前就已經(jīng)存在了。這是天文學(xué)家第一次證實(shí)，在宇宙生命周期的頭 20 億年時(shí)間里有如此龐大的星系群，它們的存在與超大質(zhì)量黑洞和暗物質(zhì)的分布密切相關(guān)。

新發(fā)現(xiàn)的古老星系的藝術(shù)構(gòu)想圖。 圖片來源：NAOJ

　　這是前所未有的發(fā)現(xiàn)，其數(shù)量之多與目前對(duì)宇宙那段時(shí)期的演化模型相悖。然而，為何我們直到現(xiàn)在才發(fā)現(xiàn)如此龐然大物呢？這是因?yàn)椋@些星系發(fā)出的光極其微弱，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)它們也束手無策。研究人員將新的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在了最近的《自然》雜志上，它表明，或許有 90% 的大型星系都被我們錯(cuò)過了。這樣的結(jié)論無疑將激發(fā)大量的進(jìn)一步研究。

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　　對(duì)天文學(xué)家來說，要證明天空中一個(gè)極其微弱的光點(diǎn)實(shí)際上是一個(gè)遙遠(yuǎn)的星系絕非易事。他們需要使用一些技巧，比如一種依賴于星系發(fā)出的光譜的技巧。

　　我們知道，恒星會(huì)放出非常豐富的光，但形成了恒星的氫氣所吸收的波長要短于紫外線波段的一些特定部分，因此形成一個(gè)獨(dú)特的截止（cutoff）光譜。在光線抵達(dá)觀測(cè)者之前，光線會(huì)因?yàn)橛钪娴呐蛎浂焕礁L的波長，從而造成紅移。這樣一來，截止光就會(huì)被推移到光譜中別的位置，比如被推到可見光波段或近紅外光波段。通過尋找這種特征，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個(gè)當(dāng)宇宙誕生還不到 20 億年時(shí)就放出光芒的星系。

　　不過，這項(xiàng)技術(shù)存在一個(gè)問題，它可以對(duì)更小、更年輕的星系非常敏感，但是對(duì)更大、更老的星系卻往往視而不見。其中一個(gè)原因是，較大的星系往往被塵埃所籠罩，因此與較小的星系相比，它們反而更加模糊。

　　而且這些早期的更大、更成熟的星系含有更多的超新星，超新星爆炸所產(chǎn)生的塵埃會(huì)吸收大部分的紫外線，從而會(huì)抹去這種光譜截止。可以說，早期的大質(zhì)量星系在可見光波段上對(duì)地球上的觀測(cè)者來說是不可見的。

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　　在新的研究中，他們找到了一種能將塵埃這個(gè)宿敵變成盟友的方法，從而發(fā)現(xiàn)那些失蹤星系的蹤跡。吸收星光的塵埃一定會(huì)升溫并輻射出更長的紅外波長，而這正是研究人員可以尋找的跡象。

　　他們將研究的范圍限制在哈勃望遠(yuǎn)鏡曾以極高的靈敏度拍攝過的三塊小小的天空區(qū)域，然后利用斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡，在中紅外波段對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行掃描。

　　斯皮策發(fā)現(xiàn)了 63 個(gè)候選星系，這就是這些來自東京大學(xué)的天文學(xué)家最早開始懷疑這些星系存在的依據(jù)。

ALMA 的部分天線陣列。 圖片來源：Kohno et al.

　　但是，斯皮策的缺點(diǎn)是它缺乏足夠高的空間分辨率來對(duì)這些星系進(jìn)行確認(rèn)。因此，他們又轉(zhuǎn)向了位于智利北部沙漠中的ALMA（阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠(yuǎn)鏡）的 66 個(gè)天線陣列。他們認(rèn)為，亞毫米波段是觀察早期宇宙塵埃的最佳波段，因此推斷 ALMA 將會(huì)是觀測(cè)這類天體的最理想設(shè)備。

　　他們利用 ALMA 在較長的遠(yuǎn)紅外光波下對(duì)每一個(gè)候選星系進(jìn)行了分析研究，最終證實(shí)了 39 個(gè)候選星系。通過與之前已經(jīng)拍攝的照片對(duì)比，他們也證實(shí)了哈勃望遠(yuǎn)鏡是看不到這些古老星系的，因此，他們將這些星系歸類為“H-dropout”，意思是“被哈勃遺漏的信號(hào)”。

ALMA 能看到的古老星系（右），而哈勃太空望遠(yuǎn)鏡卻無法看到（左）。 圖片來源：Wang et al.

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　　天文學(xué)家感興趣于研究這 39 個(gè)星系如何有別于我們的銀河系。從 ALMA 和其他望遠(yuǎn)鏡收集的數(shù)據(jù)來看，新發(fā)現(xiàn)的這些巨大星系平均約為 1 萬億個(gè)太陽質(zhì)量。如果我們的太陽系在這樣一個(gè)星系中，那么我們?cè)谇缋实囊雇硌鐾强諘r(shí)將會(huì)看到一些與銀河系模式截然不同的東西。

　　首先，夜空會(huì)更加壯觀，更大的恒星密度意味著會(huì)有更多恒星離我們很近，它們?cè)谝箍罩袝?huì)更大更亮。但是，大量的塵埃又會(huì)導(dǎo)致那些遙遠(yuǎn)的恒星更加模糊、更加不可見。因此映入我們眼簾的，很可能是在遠(yuǎn)處是一個(gè)巨大的黑暗空間背景，眼前有許多的明亮的恒星。

　　所以，這些巨大星系的發(fā)現(xiàn)意味著什么？星系越大，其中心的超大質(zhì)量黑洞也就越大。所以，研究這些星系及其演化將能揭示更多關(guān)于超大質(zhì)量黑洞的演化秘密。另外，巨大的星系也與暗物質(zhì)的分布密切相關(guān)，它們?cè)谒茉煨窍档慕Y(jié)構(gòu)和分布上起著重要作用。

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　　這樣的觀測(cè)結(jié)果向主流理論發(fā)起了挑戰(zhàn)。因?yàn)闆]人能想到在宇宙的早期可以如此高效地制造出如此巨大的星系。許多天文學(xué)家認(rèn)為，現(xiàn)有的對(duì)星系演化的建模仍必須依賴于恒星形成的近似模型，這或許是現(xiàn)有理論模型的問題所在。

　　但由于這是首次發(fā)現(xiàn)這樣的星系群，因此還需要更多的探索才能意識(shí)到它們究竟意味著什么，未來或許還會(huì)有更多的驚喜。新的觀測(cè)結(jié)果證明了 ALMA 的力量，它們?cè)谶h(yuǎn)紅外波段的確具有前所未有的空間分辨率。

　　1998 年，天文學(xué)家曾用夏威夷的一個(gè) 15 米長的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡（詹姆斯克拉克麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡）發(fā)現(xiàn)了一個(gè)早期星系。但由于分辨率太之低，因此花了 14 年時(shí)間才確定這個(gè)光源。而現(xiàn)在，ALMA 只需要不到 2 分鐘的時(shí)間就可以鎖定每個(gè)新的星系，真的是十分高效了。

　　在紅外波段的天文觀測(cè)即將帶來一場(chǎng)新的天文學(xué)革命，現(xiàn)在，天文學(xué)家們已經(jīng)開始翹首企盼，期待像詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）這樣的天文臺(tái)將能為我們揭示一個(gè)怎樣奇妙的宇宙。

　　參考來源：

　　https://www.sciencemag.org/news/2019/08/galaxy-hunters-spot-hidden-giants-early-universe

　　https://phys.org/news/2019-08-astronomers-vast-ancient-galaxies-dark.html

　　論文鏈接：

　　https://www.nature.com/articles/s41586-019-1452-4

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的这些古老的庞然大物，填补了宇宙演化史的一大空白的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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