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        我國學者揭示早期宇宙星際間重元素起源之謎

        中國科學報 2021-09-29 作者:陳彬

          9月27日,國際知名天文期刊《自然—天文》(Nature Astronomy)發表了清華大學天文系教授蔡崢課題組的研究結果。課題組通過觀測發現,大質量星體的反饋作用對于早期宇宙重元素起源的影響力,要比之前普遍認知的要大得多。

          在接受《中國科學報》采訪時,蔡崢介紹說,在宇宙中,絕大部分物質不在星系里,而在星系之間。這部分彌散在星系之間廣袤空間里的物質被稱為星系際介質。

          在宇宙大爆炸初期,宇宙中只存在大量的氫、氦和少量的鋰,沒有更重的元素(如碳,氮,氧等)。但是天文學家們從距離大爆炸僅10億年的宇宙中,利用類星體光譜,確認了星系際介質中已經存在了較重的元素。

          “這些早期宇宙中的重元素究竟從何而來,它們又是如何到達星際介質中的?這一問題直到今天依然是觀測宇宙學的一個關鍵性問題?!辈虓樥f,今年4月,《科學》聯合上海交通大學發布了人類目前125個比較難解的科學問題,早期宇宙中重元素的起源問題便位列其中。

          對于這一問題,目前科學界比較公認的理論認為,早期星際介質中的重元素主要是被小質量星系的恒星星風,或者活動星系核反饋拋射到宇宙空間中的。在這個模型框架下,小質量星系的活動似乎是星際介質重元素起源的原因。

          然而在實際觀測中,由于小質量星系本身亮度很低,加之星系很可能是被塵埃所遮蔽,傳統的光學觀測并不能有效地支持這一理論。對此,蔡崢所領導的一個項目將觀測手段轉向了射電觀測。

          該項目組利用國際上最大的射電望遠鏡——位于智利北部的ALMA陣列,觀測到宇宙早期某顆類星體所發射的光束,在途徑距離地球125億光年外的宇宙某區域時,出現了比較明顯的氧吸收現象,導致課題組觀測到的宇宙早期中性氧吸收線出現明顯的折疊?!斑@說明該片區域存在一個較強的氧元素吸收體,而該吸收體中存在的氧元素,便是周圍星系通過自身的反饋作用‘拋’入宇宙中,進而富集于此的?!辈虓樥f。

           

          大質量星系“拋”出的氧元素富集,導致中性氧吸收線出現折疊  清華大學供圖 

          在進行了仔細地數據分析和處理后,團隊發現一個位于這些宇宙早期星際介質中氧元素附近的候選星系,該星系與氧吸收體的距離約6萬光年。這一發現表明,大質量星系的反饋作用可能比之前想的重要。

          在進一步的觀測中,課題組將該星系與理論上的數值模擬進行對比,并發現該候選星系的質量要比通過現有理論預言的質量重1-2個數量級,且該星系與其吸收體的距離也超出理論預測的1個量級。

          “這清晰地表明,宇宙早期星際介質中的重元素,也許并不全部起源于小質量星系的活動,大質量星系的貢獻很可能比先前科學界所認為的要重要得多?!辈虓樥f。

          通過測算,課題組還發現,大質量星系通過反饋作用向宇宙空間“拋”出氣體和元素的距離,可能比我們此前預想得要更遠。蔡崢表示,以本次觀測的星系為例,該星系的光度約為太陽光度的一億倍,其可以將氧等重元素拋到六萬光年之外。相比之下,人們通常認為銀河系星盤的直徑也只有大約20萬光年左右。

          蔡崢表示,該發現對于目前科學界通行的星系反饋和大質量星系形成的理論形成了一定的挑戰,對于我們理解大質量星系的形成與演化有著關鍵意義。

          相關論文信息: https://doi.org/10.1038/s41550-021-01471-4

        責任編輯:王超

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