我国学者揭示早期宇宙星际间重元素起源之谜

时间:2021-11-28
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  9月27日,国际知名天文期刊《自然—天文》(Nature Astronomy)发表了清华大学天文系教授蔡峥课题组的研究结果。课题组通过观测发现,大质量星体的反馈作用对于早期宇宙重元素起源的影响力,要比之前普遍认知的要大得多。

  在接受《中国科学报》采访时,蔡峥介绍说,在宇宙中,绝大部分物质不在星系里,而在星系之间。这部分弥散在星系之间广袤空间里的物质被称为星系际介质。

  在宇宙大爆炸初期,宇宙中只存在大量的氢、氦和少量的锂,没有更重的元素(如碳,氮,氧等)。但是天文学家们从距离大爆炸仅10亿年的宇宙中,利用类星体光谱,确认了星系际介质中已经存在了较重的元素。

  “这些早期宇宙中的重元素究竟从何而来,它们又是如何到达星际介质中的?这一问题直到今天依然是观测宇宙学的一个关键性问题。”蔡峥说,今年4月,《科学》联合上海交通大学发布了人类目前125个比较难解的科学问题,早期宇宙中重元素的起源问题便位列其中。

  对于这一问题,目前科学界比较公认的理论认为,早期星际介质中的重元素主要是被小质量星系的恒星星风,或者活动星系核反馈抛射到宇宙空间中的。在这个模型框架下,小质量星系的活动似乎是星际介质重元素起源的原因。

  然而在实际观测中,由于小质量星系本身亮度很低,加之星系很可能是被尘埃所遮蔽,传统的光学观测并不能有效地支持这一理论。对此,蔡峥所领导的一个项目将观测手段转向了射电观测。

  该项目组利用国际上最大的射电望远镜——位于智利北部的ALMA阵列,观测到宇宙早期某颗类星体所发射的光束,在途径距离地球125亿光年外的宇宙某区域时,出现了比较明显的氧吸收现象,导致课题组观测到的宇宙早期中性氧吸收线出现明显的折叠。“这说明该片区域存在一个较强的氧元素吸收体,而该吸收体中存在的氧元素,便是周围星系通过自身的反馈作用‘抛’入宇宙中,进而富集于此的。”蔡峥说。

  

  大质量星系“抛”出的氧元素富集,导致中性氧吸收线出现折叠 清华大学供图

  在进行了仔细地数据分析和处理后,团队发现一个位于这些宇宙早期星际介质中氧元素附近的候选星系,该星系与氧吸收体的距离约6万光年。这一发现表明,大质量星系的反馈作用可能比之前想的重要。

  在进一步的观测中,课题组将该星系与理论上的数值模拟进行对比,并发现该候选星系的质量要比通过现有理论预言的质量重1-2个数量级,且该星系与其吸收体的距离也超出理论预测的1个量级。

  “这清晰地表明,宇宙早期星际介质中的重元素,也许并不全部起源于小质量星系的活动,大质量星系的贡献很可能比先前科学界所认为的要重要得多。”蔡峥说。

  通过测算,课题组还发现,大质量星系通过反馈作用向宇宙空间“抛”出气体和元素的距离,可能比我们此前预想得要更远。蔡峥表示,以本次观测的星系为例,该星系的光度约为太阳光度的一亿倍,其可以将氧等重元素抛到六万光年之外。相比之下,人们通常认为银河系星盘的直径也只有大约20万光年左右。

  蔡峥表示,该发现对于目前科学界通行的星系反馈和大质量星系形成的理论形成了一定的挑战,对于我们理解大质量星系的形成与演化有着关键意义。

  相关论文信息: http://doi.org.ngawaiata.com/10.1038/s41550-021-01471-4


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