宇宙黑暗时代的终结

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作者：Ivan Farkas

翻译：贺玉影

校对：牧夫校对组

编排：张莹

后台：朱宸宇

https://www.livescience.com/space/astronomy/astronomers-may-have-been-wrong-about-what-ended-the-cosmic-dark-age-new-study-hints?

韦布空间望远镜拍摄这张的深空图像展现了迄今为止已知的一些最遥远的星系，它们出现在宇宙黑暗时代刚刚结束之后。

（图片来源：欧空局/韦布、美国国家宇航局与加拿大宇航局，G. Gozaliasl、A. Koekemoer、M. Franco 以及 COSMOS-Web 团队）

一项新研究表明，在宇宙诞生之初驱散宇宙雾霭的那股神秘力量，可能并非我们原先所想的那样。研究结果暗示，天文学家或许需要重新思考宇宙演化中的一个重要环节，而正是这一过程最终造就了我们今天所看到的宇宙。

在大爆炸发生约40万年后，初生的宇宙终于冷却到足以形成原子的程度，其中绝大多数是氢原子。但这些不带电荷的中性氢原子使整个宇宙笼罩在一层迷雾之中，令宇宙无法透过紫外线。

后来，第一批恒星开始发光，并逐渐聚集成星系，将原本密不透风的原子雾转化为带电的质子和电子，光得以自由穿过星际空间，最终抵达我们的天文台。这一层宇宙帷幕的揭开被称为“再电离时代”（Epoch of Reionization）。研究这一时期的一组科学家将它称为“宇宙最后一次重大的相变”。

密歇根大学研究星系演化的天文学家科迪·卡尔是这项新研究的第一作者。他在一份声明中表示：“我们尚不清楚究竟是什么天体引发了再电离，也不清楚这一过程是如何演化的。我们知道再电离确实发生过，但对于这些问题，我们还没有完整的答案。”

此前，天体物理学家认为，这种“驱散星云”的效果依赖于超新星，即质量约为太阳八至五十倍的恒星以剧烈爆炸的方式结束生命时产生的现象。

但在10月15日发表于《自然·天文学》期刊的这项新研究中，卡尔及其同事提出了证据，表明超新星产生了相反的作用：它们将所谓莱曼连续谱（LyC）光子，即能够驱散天体雾的电离紫外辐射困在了星系内部，而非将其散射。

“我们这篇论文最有趣的地方在于，我们观察到最强的LyC辐射源并没有高速星系风，”卡尔通过电子邮件告诉媒体。“这一结果挑战了过去的一种观点：星系必须依靠超新星驱动的高速星系风，才能让LyC逃逸出去。”

✦星系风究竟吹向何方？

研究人员使用哈勃太空望远镜观测了本地宇宙中一个与远古宇宙相似的系统：六个距离地球约35亿光年的星系。这些星系正在形成恒星，同时也会向外释放星系风。

这些紧凑的星暴星系直径通常不到6500光年，每年形成的恒星总质量约为太阳质量的十倍。这一恒星形成率是银河系的数倍，而银河系的直径却比它们大二十倍。

这些星系的光谱，也就是它们在光线中留下的特征，揭示了恒星风的来源、化学组成、速度和方向。这些恒星风是新形成的恒星释放出的辐射所推动的。

研究人员还描述了这些过程如何随时间发生变化：大质量年轻恒星逐渐演化，在数百万年后以猛烈的超新星爆炸结束生命。此后，产生的星系风则逐渐压过了原先的恒星风。

这些邻近星系揭示了一个违反直觉的两阶段过程。

在最初阶段，也就是恒星形成的前三百万年中，新生的大质量恒星的恒星风以每秒近三千公里的速度穿透了其所在星系中的中性气体和尘埃。这使得LyC光能够逃离星系，并使星系际空间中的中性气体和尘埃发生电离。

第二阶段出现在恒星形成后约300万年，似乎逆转了这一过程。随着O型恒星——宇宙中温度最高、颜色最蓝、质量最大的恒星——短暂而剧烈地燃烧后过早凋零，它们喷射出的恒星物质与不透明的星系气体和尘埃混合，使这些物质发生剧烈扰动，并增加了其中的物质量，从而形成了一个困住LyC光线的陷阱。

本研究中年龄最大的星系——拥有最快超新星驱动星系风的那些星系，能够让最少的电离辐射逃逸到周围空间。

“总体而言，我们的研究结果与大多数宇宙学模拟不符，这些模拟通常显示，LyC逃逸率在超新星驱动的星风开始后达到峰值，”卡尔通过电子邮件解释道。换句话说，超新星并非再电离时代的驱动因素，但它们可能抑制了这一过程。如今看来，新生恒星释放出的强烈辐射才是最有可能驱动宇宙再电离的力量。

未来的研究可致力于获取更多的星系样本，并在其他波长范围内进行更高分辨率的观测。

责任编辑：郭皓存

牧夫新媒体编辑部

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图源: Marcella Giulia Pace