突破性研究揭示了两个早期宇宙星系中前所未见的分子细节

科学家们使用强大的望远镜将星系的光线分成不同的颜色，他们惊奇地发现了来自许多不同分子的光线--在如此遥远的距离上比以往任何时候都多。研究人员认为，这样的研究可以彻底改变我们对宇宙年轻时最活跃星系生活的理解。

当宇宙还年轻的时候，星系与今天的螺旋星系截然不同，后者充满了柔和闪耀的太阳和五彩缤纷的气体云。新恒星不断诞生，其速度比今天的宇宙快数百倍。然而，大部分恒星都隐藏在厚厚的尘埃层之后，这使得科学家们很难发现这些恒星工厂的秘密--直到现在。通过用强大的望远镜对最遥远的星系进行研究，天文学家可以窥见这些工厂是如何创造出如此多的恒星的。

来自许多不同分子的光线揭示了遥远恒星工厂的秘密。图中显示的是在遥远的星系 NCv1.143 中发现的分子，叠加在哈勃望远镜用可见光拍摄的附近宇宙中类似星系 NGC 572 的图像上。图片来源：欧空局/哈勃，美国国家航空航天局，L. Ho; Jmol (分子); R. Cumming (蒙太奇)

在12月14日发表在《天文学与天体物理学》（Astronomy & Astrophysics）杂志上的一项新研究中，由查尔莫斯天文学家杨振涛领导的科学家团队利用法国的NOEMA（NOrthern Extended Millimetre Array）望远镜来进一步了解这些早期恒星工厂是如何创造出如此多的恒星的。杨晓涛和他的同事们测量了来自早期宇宙中两个发光星系的光线，其中一个被归类为类星体，两个星系的恒星形成率都很高。

"我们知道这些星系是巨大的恒星工厂，也许是宇宙中最大的恒星工厂之一。为了弄清它们是如何工作的，我们用一毫米左右的波长测量了它们的光线，希望能收集到新的线索，"杨振涛说。

来自遥远星系的分子洞察

测量结果超出了科学家们的预期。在这两个星系记录的光线中，他们发现了许多不同种类分子的痕迹。在这些星系的深处，新恒星诞生的气体云和尘埃云发出了许多不同波长的光。

"这是一次令人惊叹的色彩大爆炸，其色调是人眼无法看到的。但通过将我们的观测结果与物理和化学知识相结合，我们就能理解这些颜色的含义，并看到不同星系之间存在哪些差异，"研究小组成员、ESO 和智利 ALMA 联合天文台的天文学家 Sergio Martín 解释说。

来自许多不同分子的光线揭示了遥远恒星工厂的秘密。图中展示的是在遥远的星系APM 08279+5255中发现的分子，叠加在哈勃望远镜用可见光拍摄的附近宇宙中一个类似星系--IC 5063的图像上。这两个星系的中心都有一个活跃的超大质量黑洞。

通过分析每个星系的光谱--它们的光的不同颜色--科学家们能够识别出13种分子，其中有几种分子以前从未在如此遥远的星系中见过。每种分子都提供了关于恒星之间空间的温度、压力和密度的不同线索，以及关于星光、辐射和物质如何相互作用的线索--提供了关于这些星系的物理和化学条件的关键新信息。

解读信号是一项挑战。我们看到的部分电磁波谱在附近星系中很难观测到。但由于宇宙的膨胀，像这样来自遥远星系的光被转移到了更长的波长上，我们可以用亚毫米波的射电望远镜观测到。

更像霓虹灯下的城市，而不是星空下的夜晚

研究小组所研究的两个星系距离我们非常遥远，它们的光线需要将近 130 亿年才能到达我们的视线。研究小组成员、查尔默斯天文学家苏珊娜-阿尔托（Susanne Aalto）说："观察这些星系不像是在星空下度过的夜晚，更像是在看一座霓虹灯闪烁的城市。"

她解释说，天文学家习惯于拍摄银河系恒星工厂的照片，比如猎户座星云和船底座星云。

"在这两个遥远的星系中，我们看到的恒星工厂更大、更亮、充满尘埃，而且在很多方面都与我们的星系不同。猎户座星云和船底座星云的亮度得益于新生热恒星发出的紫外线。在这两个遥远的星系中，紫外线无法穿过尘埃层。"苏珊娜-阿尔托（Susanne Aalto）说："大部分的照明都要归功于宇宙射线--恒星爆炸或接近超大质量黑洞时产生的高能粒子。"

来自两个遥远星系的光线，显示出许多不同分子的迹象。这些图表中的尖锐峰值被称为光谱线，它们告诉天文学家有关发出光线的气体云的信息。横轴显示光的波长和频率；纵轴显示相对亮度。为清晰起见，顶部光谱向上移动。图中红色显示的是NCv1.143星系，紫色显示的是APM 08279+5255。资料来源：Chentao Yang 等人

早期宇宙星系的独特性

虽然像这两个星系这样的星系非常罕见，但科学家们已经计划利用NOEMA望远镜及其更大的姊妹望远镜--位于智利的ALMA（阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列）--来研究更多这样的星系。这两台望远镜都对波长约为一毫米的光非常敏感。

"我们的研究结果表明，NOEMA 凭借其宽带接收器和强大的相关计算机，为研究北半球天空中的极端星系提供了新的机会。在南半球，ALMA 计划进行的宽带灵敏度升级将带来更加令人兴奋的前景。"法国国家科学研究中心（CNRS）和索邦大学的天文学家皮埃尔-考克斯（Pierre Cox）说："早期宇宙中最杰出的星系终于能够通过它们的分子来讲述自己的故事了。"

关于研究成果的更多信息

星际空间中已经探测到一百多种不同的分子。在这项研究中，天文学家发现了一氧化碳（CO）、氰基（CN）、乙炔基（CCH）、氰化氢（HCN）、甲酰阳离子（HCO+）等分子、 异氰化氢 (HNC)、一硫化碳 (CS)、水 (H2O)、氢离子 (H3O+)、一氧化氮 (NO)、重氮 (N2H+)、亚甲基自由基 (CH) 和亚环丙烯基 (c-C3H2)。其中有几种（CH、CCH、c-C3H2、N2H+ 和 H3O+）以前从未在如此大的距离上出现过。

研究中的两个星系的星表编号分别为 APM 08279+5255 和 NCv1.143。先前的研究表明，这两个星系距离我们非常遥远，它们的光线已经向我们传播了近130亿年，对应的红移分别为3.911和3.565。红移意味着宇宙的膨胀将来自遥远星系的光线拉伸到更长的波长，这可以用射电望远镜观测到。

尽管距离遥远，但这些星系在射电波长下却发出耀眼的光芒。它们的信号被放大了，这要归功于位于光线路径上的其他星系团--这种效应被称为引力透镜效应。其中一个名为 APM 08279+5255 的星系也是一个类星体，这个星系的中心由于围绕着一个超大质量黑洞旋转的物质而发出从射电波到 X 射线的耀眼光芒。NCv1.143也可能包含一个中心黑洞。

编译来源：ScitechDaily