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哈勃首次進(jìn)行宇宙黎明時(shí)期的星系普查

2012.12.20

2012.12.12：借助美國(guó)宇航局（NASA）和歐洲空間局（ESA）合作的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了7個(gè)先前從未見過的最原始星系，它們形成于130億年前，那時(shí)的宇宙年齡還不到現(xiàn)在的3%。這個(gè)最深遠(yuǎn)的圖像首次統(tǒng)計(jì)了在接近星系最初形成時(shí)代，健壯星系的樣本豐富程度。研究結(jié)果顯示，在宇宙大爆炸后4.5億年以來(lái)，隨著我們回溯的時(shí)間更早，原始星系數(shù)量平滑地減少。觀測(cè)支持此觀點(diǎn)：在大爆炸后的數(shù)億年，星系持續(xù)形成，并可能提供足夠輻射重新加熱（或再電離）整個(gè)宇宙。對(duì)NASA下一代的詹姆斯?韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）而言，這一先行觀測(cè)為JWST探測(cè)該紀(jì)元開辟了道路。我們觀測(cè)得越遠(yuǎn)，也就意味著回溯到越早。宇宙迄今已137億年，而新發(fā)現(xiàn)的星系存在于宇宙大爆炸后3.5億～6億年，它們的光現(xiàn)在剛剛抵達(dá)地球。

公眾可參與“首次統(tǒng)計(jì)逼近宇宙黎明時(shí)期的星系數(shù)量”的在線會(huì)議，會(huì)議將在美國(guó)東部時(shí)間2012.12.14周五的13:00開始。會(huì)上哈勃超級(jí)深空?qǐng)?012（UDF2012）團(tuán)隊(duì)的關(guān)鍵天文學(xué)家將介紹他們是如何獲得這些圖像的，并解釋它告訴了我們關(guān)于極早期宇宙中星系形成方面的什么知識(shí)。會(huì)議參與者可向?qū)＜医M提問、共同討論。會(huì)議網(wǎng)址：HubbleSite Channel on Youtube（需要翻墻）、Hubble Space Telescope Google+ page（同樣需要）。

哈勃WFC3紅外波段拍攝的超級(jí)深空?qǐng)鲆约鞍l(fā)現(xiàn)的7個(gè)超遙遠(yuǎn)星系在圖像中的位置，大圖下載：4.5MB，版權(quán)：NASA，ESA；STScI，原作者，下同。

借助美國(guó)宇航局（NASA）和歐洲空間局（ESA）合作的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了7個(gè)先前從未見過的最原始星系，它們形成于130億年前，那時(shí)的宇宙年齡還不到現(xiàn)在的3%。這個(gè)最深遠(yuǎn)的圖像首次統(tǒng)計(jì)了在接近星系最初形成時(shí)代，健壯星系樣本的豐富程度。

研究結(jié)果顯示，在宇宙大爆炸后4.5億年以來(lái)，隨著我們回溯的時(shí)間更早，原始星系數(shù)量平滑地減少。觀測(cè)支持此觀點(diǎn)：在大爆炸后的數(shù)億年，星系持續(xù)形成，并可能提供足夠輻射重新加熱（或再電離）整個(gè)宇宙。

這一先行觀測(cè)為NASA下一代的詹姆斯?韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）探測(cè)該紀(jì)元開辟了道路。我們觀測(cè)得越遠(yuǎn)，也就意味著回溯到越早。宇宙迄今已137億年，而新發(fā)現(xiàn)的星系存在于宇宙大爆炸后3.5億～6億年，它們的光現(xiàn)在剛剛抵達(dá)地球。

哈勃超級(jí)紅外深空?qǐng)?012版圖像，請(qǐng)注意配色情況。大圖下載：43MB。

研究者介紹說(shuō)，哈勃圖像的超級(jí)深度與仔細(xì)設(shè)計(jì)的巡天方略相結(jié)合，使本次研究比先前的觀測(cè)看得更遠(yuǎn)，并提供了對(duì)該時(shí)代的可靠統(tǒng)計(jì)。尤其是其中的一個(gè)星系很可能打破距離記錄，它存在于宇宙大爆炸后約3.8億年，對(duì)應(yīng)的紅移達(dá)11.9。

該研究結(jié)果來(lái)自著名的雄心勃勃的哈勃巡天項(xiàng)目——集中觀測(cè)一小塊天區(qū)的哈勃超級(jí)深空?qǐng)觯℉UDF）。

2012年的新戰(zhàn)役由加利福利亞周帕薩迪納市加州理工學(xué)院的理查德?埃利斯（Richard Ellis）領(lǐng)銜，該天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)（UDF2012）使用哈勃第三代廣域相機(jī)（WFC3）的近紅外通道，觀測(cè)了比所有先前更深入的深空。觀測(cè)在今年8、9月前持續(xù)了六周，第一批科學(xué)成果現(xiàn)已刊登在一系列科學(xué)期刊上。在為其他研究小組準(zhǔn)備好材料后，UDF2012團(tuán)隊(duì)將公開這批獨(dú)有的數(shù)據(jù)。

天文學(xué)家之所以要用近紅外波段研究遙遠(yuǎn)宇宙，是因?yàn)橛钪媾蛎?，使得星系發(fā)出的紫外光和可見光拉伸到紅外波段——紅移。星系越遠(yuǎn)，紅移越大。

新項(xiàng)目的一個(gè)重要目標(biāo)是確定早期宇宙中星系隨時(shí)間快速增加的數(shù)值。這一測(cè)量是確定星系中形成其恒星居民速率的關(guān)鍵證據(jù)。

哈勃觀測(cè)到的7個(gè)遙遠(yuǎn)星系候選者中，最遙遠(yuǎn)的（上）和相對(duì)最近者的紅外單色圖像。

Ellis解釋說(shuō)：“我們通過兩條途徑把目標(biāo)課題向前推進(jìn)。首先，我們讓哈勃總曝光時(shí)間比以前的更長(zhǎng)。增加曝光深度對(duì)調(diào)查宇宙的早期歷史起著至關(guān)重要的作用。其次，我們非常有效地利用哈勃的各個(gè)光波濾鏡，以精確測(cè)量星系距離?！?br>
通過精確組合近紅外波段的4個(gè)濾鏡，團(tuán)隊(duì)通過研究星系的“顏色”以估算其距離。團(tuán)隊(duì)成員、英國(guó)愛丁堡大學(xué)天文學(xué)院的詹姆斯?鄧祿普（James Dunlop）解說(shuō)道：“通過添加附加濾鏡，以及在某些波段進(jìn)行比先前觀測(cè)長(zhǎng)得多的曝光，我們排除了那些天體可能是前景（暗紅外）星系的可能?！?br>
鄧祿普解釋說(shuō)，當(dāng)星系的光紅移到紅外波段時(shí)，該星系最初發(fā)出的所有可見光和大部分紅外光都被星際氣體（主要是氫）吸收了，因此該星系在哈勃的大部分濾鏡中都無(wú)法看見，只能在哈勃最長(zhǎng)波段的濾鏡（1.4、1.6微米的近紅外光）中看見，這是發(fā)現(xiàn)最早期星系的關(guān)鍵。

PDF插圖，顯示不同波段下的那些最遙遠(yuǎn)星系的圖像。最左邊是ACS進(jìn)行的可見光巡天（分辨率最高），右邊依次是WFC3的紅外波段在1.05、1.25、1.40、1.60微米進(jìn)行的觀測(cè)。紅移越大的星系，越只能在最長(zhǎng)的波段看見。

UDF 2012項(xiàng)目的成果意味著深空中還有許多現(xiàn)在未發(fā)現(xiàn)的星系等著未來(lái)的JWST來(lái)發(fā)現(xiàn)。團(tuán)隊(duì)成員Anton Koekemoer提醒道：“黑雖然我們已經(jīng)可能回溯到哈勃的能力極限，但是從某種意義上而言，哈勃就是為JWST探路、打基礎(chǔ)的。我們的工作表明，也許還存在豐富的更早期星系讓JWST來(lái)探索?！盇nton屬于馬里蘭州巴爾的摩市太空望遠(yuǎn)鏡科研所，主管哈勃觀測(cè)成果和圖像拼合。

長(zhǎng)久以來(lái)，天文學(xué)家一直在爭(zhēng)論早期星系中的熾熱恒星能否提供足夠的輻射加熱宇宙大爆炸后不久形成的冷氫氣。這個(gè)過程稱為“再電離”，被認(rèn)為發(fā)生在我們宇宙誕生后2億年～10億年的時(shí)段。這個(gè)過程讓宇宙變得對(duì)（紫外）光透明，使天文學(xué)家能夠回溯過往的時(shí)間。新研究中發(fā)現(xiàn)的星系就是這個(gè)早期紀(jì)元的。

圖森市亞利桑那大學(xué)的布蘭特?羅伯森（Brant Robertson）總結(jié)說(shuō)：“通過觀測(cè)大爆炸的余輝——背景微波輻射，告訴我們?cè)匐婋x發(fā)生在大約130億年前。我們的數(shù)據(jù)確認(rèn)那是一個(gè)持續(xù)數(shù)億年的冗長(zhǎng)過程，期間星系慢慢累積它們的恒星和化學(xué)元素。星系誕生并不是一個(gè)單獨(dú)的戲劇化事件，它是一個(gè)漸進(jìn)的過程?！?br>
對(duì)早期遙遠(yuǎn)星系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的研究報(bào)告已經(jīng)被《天體物理學(xué)》期刊接受。