http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2011-11-15
天文学家们近日首次成功观测到形成于宇宙大爆炸后极早期宇宙中的原始气体云。这些气体云的化学组成符合理论预期
新浪科技讯 北京时间11月15日消息，天文学家们近日首次成功观测到形成于宇宙大爆炸后极早期宇宙中的原始气体云。这些气体云的化学组成符合理论预期，这一发现证明现有宇宙学模型中对于宇宙化学元素起源的解释应当是正确的。
宇宙大爆炸中仅仅能产生质量最轻的元素，即氢和氦。在大爆炸发生数百万年之后，第一批恒星才在气体聚集塌缩作用下形成，这些恒星最终形成了更重的元素。在此之前，天文学家们寻遍宇宙，但是目光所及都有金属元素的痕迹。这里要注意一点，在天文学中，所谓的“金属”指的是除去氢和氦之外的所有其他元素。
谢尔维亚·普罗恰斯卡(Xavier Prochaska)是美国加州大学圣克鲁兹分校的天文学和天体物理学教授，他说：“我们一直致力于寻找宇宙中的原始物质，但是一直没有成功，直到这一次。这是我们首次观测到未受金属污染，完全原始的气体云。” 普罗恰斯卡教授是一篇有关此项工作的，发表于11月10版《科学》杂志的论文的合著者。论文第一作者则是该校研究生米歇尔·符马加利(Michele Fumagalli)，另有一位合著者是佛蒙特州圣米歇尔学院的约翰·奥马拉(John O'Meara)。
符马加利解释说：“这些气体云中缺乏金属，显示其成分非常原始。这一发现让人振奋，因为这是人类首次确认早期宇宙中化学成分和大爆炸模型预言相符的原始气体云物质。”
研究人员此次调用夏威夷莫纳克亚山顶的凯克-1望远镜加装HIRES光谱仪获取了遥远类星体发出的光线数据。他们将这些暗弱的星光分解成不同波段，这样他们便能识别出哪些波段出现了缺失，这种缺失是光从遥远的类星体抵达地球的路途中被物质吸收的结果。符马加利说：“我们对光谱中的吸收谱线进行分析，这是光线被途中气体吸收的结果。于是我们便能反推出光线途经旅途中遇到的气体物质的成分。”
自然界中的每种元素都会在光谱中留下独特的谱线。在这一气体云产生的谱线中，科学家们仅仅识别出氢元素和它的同位素氘产生的谱线。普罗恰斯卡教授说：“我们的探测仪器对氦元素不是特别敏感，但是我想如果我们的设备敏感度足够高，我们是可以看到氦元素的谱线痕迹的。不过我们的仪器对碳，氧和硅元素的灵敏度很高，但是这些元素却完全没有被检测到。”
在这一次的发现之前，人们测量到的宇宙中最低金属度是太阳金属度的1/1000。符马加利说：“人们认为金属度存在下限，他们认为不可能存在金属度比太阳的1/1000更低的了。这是因为恒星爆发产生的金属元素在宇宙中广为播撒，几乎不可能存在没有被播撒到的角落。”因此他认为此次的发现多少有点出人意料。它可能将改变我们对于宇宙中恒星抛洒出的金属元素分布模式的观点。
研究者们估计此次观测的这一原始气体云的金属度约为太阳金属度的十万分之一。而在另一个极端，已知金属度最高的的恒星或气体云中，其金属度高达太阳的10倍。普罗恰斯卡说：“宇宙中不同区域的金属丰度差异很大，因此这一发现为我们理解金属元素在整个宇宙中的播撒分布提供了新的参照。”
当一台强大的望远镜观测遥远的星系，它正在回溯时间。由于这些遥远天体发出的光抵达地球需要时间，因此我们所观察到的这些天体事实上只是它们久远的过去的影像。此次分光观测的原始气体云位于宇宙大爆炸后仅大约20亿年，也就是在时间中回溯了几乎120亿年。根据现有模型认为，在那一时代星系正处于高速成长期，它们从周围环境中大肆吸收低温的气体云物质，但是这些所谓的“低温气体流”此前却从未被观测所证实。符马加利认为他们此番所观察到的原始气体云很可能就是这种低温气体流的构成物质。当然我们还需要更进一步的观测数据来支持或否定这一观点。(晨风)
[新浪网]
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从星系相撞到恒星诞生的演化过程
欧洲航天局（ESA）红外线空间天文台（ISO）的观测数据已经提供了第一个直接证据，表明星系相撞产生的激波会刺激气体形成新的恒星。这一结果也为宇宙早期首批恒星的快速形成过程提供了重要的线索。
这张图片显示的是位于乌鸦座中6千万光年以外的相互碰撞星系——触角星系（Antennae，NGC 4038/4039）。来自ESA的红外太空天文台的数据已经提供了第一个直接证据，表明星系相撞产生的激波会刺激气体形成新的恒星。受激的气体在星系重叠的区域被观测到（以白色虚线表示）。新的恒星将在那里诞生，在接下来的一百万年内，它们会使触角星系在红外波段的增亮2倍。Credits: HST image, ESA/NASA
通过对我们银河系和其他星系的观测，天文学家们早就断定，像超新星那样的大质量恒星爆炸会产生出激波和“星风”，它们在传播的过程中会刺激周围的气体云。这种过程会引发附近气体的坍缩，并最终导致新恒星的诞生，就像是多米诺骨牌效应一样。
这种过程的标志就是分子氢发出的辐射。当氢分子受到附近爆炸能量的“刺激”时，它们就会发出一种独特的辐射，在红外波段可以被探测到。
在星系发生相互碰撞的地方和新恒星高速形成的地方，也都观测到了此类的辐射。不过，直到前不久，从两个星系发生相互碰撞起，到第一批新恒星诞生为止，两者之间究竟发生过什么，还没有明确的答案。
现在，这一失落的环节已经被一组德国天文学家找到了，他们分析了被俗称为“触角”（NGC 4038/4039）的星系对的ISO数据。这两个星系位于乌鸦座中，距离我们6千万光年，目前正处于相互作用的早期阶段。科学家们注意到，两个相撞星系相互重叠部分存在着极其丰富的分子氢，它们都处于被激发的状态。
特别是，这些来自于分子氢的辐射，在重叠区域的南侧和北侧都更为强烈。不过，大大出乎科研小组意料之外的是，那里既没有出现足够多的超新星爆发，也不存在剧烈的恒星形成活动，两者都无法解释观测到的分子氢辐射。因此，这些辐射一定是观测上罕见的、正处于恒星形成前期的氢分子云的信号， 星系碰撞产生的动能以激波的形式在其中传播，因而刺激了这些氢分子云。换句话说，这些研究结果为气体碰撞和首批恒星诞生之间的失落环节，提供了第一个直接证据。科研小组估计，当这些气体在未来几百万年内坍缩成为新的恒星时，触角星系的红外亮度将比现在明亮2倍以上。
天文学家们相信，在我们银河系生命的最初十几亿年内，激波引发的恒星形成过程可能对原星系（proto-galaxies）的演化起到了一定的作用。原星系相撞产生的激波可能会引发气体的浓缩过程，加速最早一批恒星的诞生。否则，这些完全由氢和氦组成的天体形成所需的时间将会长久得多，因为氢和氦这样的轻元素需要很长时间才能冷却，并且浓缩成为原恒星。最早的气体碰撞产生的激波有可能帮了大忙。
这些结果将在科学期刊《天文与天体物理（Astronomy & Astrophysics）》上发表，作者包括德国AIRUB学院的马丁·哈斯（Martin Haas）和罗夫·契尼（Rolf Chini），以及德国马普天文研究所的乌尔里奇·克拉斯（Ulrich Klaas）。
1995年，ESA的红外空间天文台（ISO）被发射升空，从那一年的11月一直运行到1998年5月。当时，它是世界上灵敏度最高的红外卫星，对宇宙中的尘埃区域做出了特别重 要的贡献。触角星系中的强烈恒星形成区就是在1996年，由ISO上的ISOCAM设备首先发现的。ISO采集的大量数据今天仍然在产生重要的科学结果，每年有超过130篇论文引用ISO的数据。
2007年，欧洲航天局将发射赫歇尔（Herschel）空间天文台，重新展开对宇宙的红外线探测。
[天文科普网 2009-11-12 ]
新发现巨大星系团有助了解宇宙骨架
新发现的巨大星系团
据美国太空网报道，天文学家在宇宙遥远区域发现了一个巨大的由此前不被人知的星系构成的星系团，巨大星系团的发现将帮助天文学家了解潜在的宇宙“骨架”。据悉，这个星系团是欧洲南方天文台天文学家马萨尤基·塔纳卡领导的研究小组发现的。塔纳卡表示：“宇宙中的物质分布并不均匀。在距离我们较近的宇宙区域，星系内会形成恒星，星系本身则经常形成星系群和星系团。”
但与长期以来只在理论上存在的体积更大的结构相比，这些物质群不过只是一个“小不点”。塔纳卡说：“最被广泛认同的宇宙理论认为，物质会在所谓的‘宇宙网’内以更大的规模聚集。星系存在于宇宙网内空隙之间延伸的细丝状地带，形成一个巨大的束状结构。”
细丝状地带长度达到数百万光年，构成了宇宙的“骨架”。星系在其周围聚集，浩瀚的星系团则在交叉处形成，它们就像是潜伏在那里的巨型蜘蛛，等待“吞食”更多物质。一直以来，科学家便很难解释宇宙如何出现细丝状地带。通常情况下，质量巨大的细丝状结构在距离地球相对较近的区域被发现，有关更遥远宇宙区域也存在这种结构的坚实证据至今一直很少被发现。
在他们此前拍摄的图片中，塔纳卡领导的研究小组在一个遥远星系团的周围发现了一个巨大结构。在此之后，他们利用两架大型地面望远镜在更多细节上对这个结构进行分析，具体就是指测量地球与星系团内超过150个星系之间的距离，同时获取这个结构的三维图像。研究过程中，他们利用欧洲南方天文台位于智利的甚大望远镜的可见光多目标光谱仪(VIMOS)以及日本国家天文台位于夏威夷的昴星望远镜的暗天体照相机和光谱仪(FOCAS)进行光谱观测。观测结果刊登在《天文学与天体物理学杂志》上。
借助于观测结果，天文学家确定了这个主星系团周围的一些星系群。研究人员能够辨别出数十个类似这样的星系群，每一个的质量通常是银河系的10倍，有些则可达到1000倍。据他们估计，这个星系团的质量至少是银河系的1万倍。
观测数据显示，一些星系群已经感受到这个星系团的致命引力，它们将最终被其吞噬。这一发现有助于科学家研究宇宙更为年轻时的星系如何受环境影响。据悉，细丝状结构距地球大约67亿光年，长度至少在6000万光年以上。这个新发现的结构可能进一步延伸，超出塔纳卡等人的探测区域。为此，研究人员计划在未来进行进一步观测，以获取细丝状结构体积的确切数据。
[天文科普网 2009-11-08]
100亿年前早期宇宙中的成熟星系团
结合欧洲南方天文台甚大望远镜（VLT）和欧洲航天局XMM-牛顿X射线天文台的观测结果，天文学家们发现了宇宙中迄今为止已知距离最远的极大质量结构。
这是一个遥远的星系团，它的质量相当于数千个银河系，至少位于90亿光年以外。
VLT的照片揭示出其中所包含的椭圆星系颜色偏红，表明这是年老的星系。有趣的是，这个星系团本身似乎也已经演化到了一个非常高级的阶段。因此这个星系团一定是在宇宙还不足它当前年龄三分之一的时候，就已经形成了。
在如此早期的宇宙中发现这样一个复杂成熟的结构，这是非常令人吃惊的。实际上，直到最近，这样的结构还被认为是不可能存在的。
XMM-牛顿拍摄的X射线照片，中心为邻近的活动星系NGC 7314，右上方框中为新发现的遥远星系团。
意外发现
星系团是包含着成百上千个星系的巨形结构。它们是组成宇宙的基本单元，因此研究它们可以得到一些关于宇宙整体内在组织结构的独特信息。
星系团中大约五分之一的光学可见质量以一种弥漫气体的形成存在，这些极高温气体的温度可达几千万度。这些气体产生出强烈的X射线辐射，因此X射线卫星是发现星系团的最佳途径。
正因如此，一个天文学家小组[1]才发起了一项研究，来寻找“休眠”在欧洲航天局XMM-牛顿卫星天文台数据库中的、在X射线波段非常明亮的 遥远星系团。
天文学家们在研究XMM-牛顿天文台对邻近活动星系NGC 7314的观测照片的时候，发现了背景中一个遥远星系团的踪迹。这个现在被称为XMMU J2235.3-2557的X射线源显示为一个面源，并且非常暗淡：在整整持续了12个小时的观测中，只有不超过280个X射线光子被检测到。
红移为1.4的成熟星系团
知道了具体位置之后，天文学家们利用欧洲南方天文台的甚大望远镜（Very Large Telescope，VLT）拍摄了可见光波段的图片。他们证实了这个星系团的本质，并且能够在图片中辨认出12个相当明亮的成员星系。
这些星系显得偏红，类型都为椭圆星系。它们之中充斥着年老的红色恒星。所有这些都表明这些星系已经有几十亿岁了。此外，这个星系团本身主要呈球形，这也表明这已经是个非常成熟的结构了。
为了测定这个星系团的距离，并且由此测定其年龄，克里斯多佛·穆里斯（Christopher Mullis）和他的同事们再次利用了甚大望远镜，这次观测是用来测定其光谱的。依靠望远镜上的缩焦低色散光谱仪（FORS），天文学家们放大了视场中的所有单个星系，进行光谱测量，以找出它们的整体特征，尤其是它们的红移，从而得出距离[2]。
缩焦低色散光谱仪是从事这项精密工作最有效、最通用的仪器，通常它一次就能够获得30个或者更多星系的相当详细的光谱。
甚大望远镜测出这个星系团的红移为1.4，表明距离为90亿光年，比此前保持距离纪录的星系团还远5亿光年。
这意味着现有的星系团一定是在宇宙还不足当前年龄三分之一时，就已经形成了。目前宇宙的年龄被认为是137亿年。
“看到这样一个羽翼丰满的结构出现在如此早期的宇宙中，我们相当吃惊，”克里斯多佛·穆里斯说。“我们看到，大爆炸之后仅几十亿年，恒星和星系的整个体系就已经成型了。”
“我们似乎已经低估了早期宇宙演变到当前状态的迅速程度了，”欧洲南方天文的皮耶罗·罗萨蒂，小组的另一个成员补充说。“宇宙确实成长得很快！”
XMM-牛顿的X射线照片（等高线）与VLT可见光图片的叠加，可以看出星系团中偏红的年老椭圆星系。
搜寻更大的样本
一旦将空间XMM和地面VLT的观测结合起来，这一发现就是相对容易的。作为这项致力于辨认极遥远星系团的开创性工作的一个令人印象深刻的结果，它使得天文学家们对自己将来的研究非常乐观。研究小组现在正在进行更细致的后续地面和空间观测。他们希望可以找到更多极度遥远的星系团，让他们能够对众多有关星系团形成与演化的理论进行验证。
“这项发现鼓舞着我们用这种非常有效的技术去搜寻其他遥远的星系团，”阿克西尔·施沃普（Axel Schwope）说，他领导着波茨坦天体物理所的科研小组，负责从XMM-牛顿数据库中检测X射线源。另一位小组成员，马普地外物理所的汉斯·博赫林格（Hans Böhringer）补充说：“我们的结果也证实了未来一些其他设备的主要预期结果，例如在未来的阿塔卡马大型毫米波天线阵所在的位置——查南托高原上进行的APEX（阿塔卡马探路实验）。这些深刻的研究最终将对宇宙的一些最基本属性给出强烈的限制。”
注 释
[1]：科研小组是由Chris
Mullis（美国，密歇根大学），Piero
Rosati（德国，欧南台Garching），Georg
Lamer和Axel
Schwope（德国，波茨坦天体物理所），Hans
Böhringer，Rene
Fassbender，以及Peter
Schuecker（德国马普地外物理研究所）。
[2]：在天文学中，“红移”表示了天体中的谱线向更长波长偏移的比率。由于遥远天体的红移会随着距离的增加而增大，因此根据观测到的遥远星系红移就可以估计出它的距离。
[天文科普网 2009-11-01]