查爾姆斯大學（Chalmers University）科學家的一項突破性研究揭示了兩個早期宇宙星系中前所未有的分子細節，加深了我們對其恆星形成活動​​的了解。由瑞典查爾姆斯理工大學（Chalmers University of Technology）領導的科學家小組對宇宙早期的兩個星系進行了研究，這兩個星系包含了極俱生產力的恆星工廠。

科學家使用強大的望遠鏡將星系的光線分成不同的顏色，他們驚訝地發現了來自許多不同分子的光線–在如此遙遠的距離上比以往任何時候都多。研究人員認為，這樣的研究可以徹底改變我們對宇宙年輕時最活躍星系生活的理解。

當宇宙還年輕的時候，星系與今天的螺旋星系截然不同，後者充滿了柔和閃耀的太陽和五彩繽紛的氣體雲。新恆星不斷誕生，其速度比今天的宇宙快數百倍。然而，大部分恆星都隱藏在厚厚的塵埃層之後，這使得科學家很難發現這些恆星工廠的秘密–直到現在。透過用強大的望遠鏡對最遙遠的星系進行研究，天文學家可以窺見這些工廠是如何創造出如此多的恆星的。

來自許多不同分子的光線揭示了遙遠恆星工廠的秘密。圖中顯示的是在遙遠的星系NCv1.143 中發現的分子，疊加在哈伯望遠鏡用可見光拍攝的附近宇宙中類似星系NGC 572 的圖像上。圖片來源：歐空局/哈伯，美國國家航空暨太空總署，L. Ho; Jmol (分子); R. Cumming (蒙太奇)

在12月14日發表在《天文學與天體物理學》（Astronomy & Astrophysics）雜誌上的一項新研究中，由查爾莫斯天文學家楊振濤領導的科學家團隊利用法國的NOEMA（NOrthern Extended Millimetre Array）望遠鏡來進一步了解這些早期的恆星工廠是如何創造出如此多的恆星。楊曉濤和他的同事們測量了早期宇宙中兩個發光星系的光線，其中一個被歸類為類星體，兩個星系的恆星形成率都很高。

「我們知道這些星係是巨大的恆星工廠，也許是宇宙中最大的恆星工廠之一。為了弄清楚它們是如何運作的，我們用一毫米左右的波長測量了它們的光線，希望能收集到新的線索，”楊振濤說。

來自遙遠星系的分子洞察

測量結果超出了科學家的預期。在這兩個星系記錄的光線中，他們發現了許多不同種類分子的痕跡。在這些星系的深處，新恆星誕生的氣體雲和塵埃雲發出了許多不同波長的光。

“這是一次令人驚嘆的色彩大爆炸，其色調是人眼無法看到的。但透過將我們的觀測結果與物理和化學知識相結合，我們就能理解這些顏色的含義，並看到不同星系之間存在哪些差異，」研究小組成員、ESO 和智利ALMA 聯合天文台的天文學家Sergio Martín 解釋。

來自許多不同分子的光線揭示了遙遠恆星工廠的秘密。圖中展示的是在遙遠的星系APM 08279+5255中發現的分子，疊加在哈伯望遠鏡用可見光拍攝的附近宇宙中一個類似星系–IC 5063的影像上。這兩個星系的中心都有一個活躍的超大質量黑洞。

透過分析每個星系的光譜–它們的光的不同顏色–科學家們能夠辨識出13種分子，其中有幾種分子以前從未在如此遙遠的星系中見過。每種分子都提供了關於恆星之間空間的溫度、壓力和密度的不同線索，以及關於星光、輻射和物質如何相互作用的線索–提供了關於這些星系的物理和化學條件的關鍵新資訊。

解讀訊號是一項挑戰。我們看到的部分電磁波譜在附近星系中很難觀測到。但由於宇宙的膨脹，像這樣來自遙遠星系的光被轉移到了更長的波長上，我們可以用亞毫米波的電波望遠鏡觀測到。

更像霓虹燈下的城市，而不是星空下的夜晚

研究小組所研究的兩個星系距離我們非常遙遠，它們的光線需要將近130 億年才能到達我們的視線。研究小組成員、查爾默斯天文學家蘇珊娜-阿爾托（Susanne Aalto）說：”觀察這些星係不像是在星空下度過的夜晚，更像是在看一座霓虹燈閃爍的城市。”

她解釋說，天文學家習慣拍攝銀河系恆星工廠的照片，例如獵戶座星雲和船底座星雲。

“在這兩個遙遠的星系中，我們看到的恆星工廠更大、更亮、充滿塵埃，而且在很多方面都與我們的星係不同。獵戶座星雲和船底座星雲的亮度得益於新生熱恆星發出的紫外線。在這兩個遙遠的星系中，紫外線無法穿過塵埃層。”蘇珊娜-阿爾托（Susanne Aalto）說：”大部分的照明都要歸功於宇宙射線–恆星爆炸或接近超大質量黑洞時產生的高能量粒子。”

來自兩個遙遠星系的光線，顯示出許多不同分子的跡象。這些圖表中的尖銳峰值被稱為光譜線，它們告訴天文學家有關發出光線的氣體雲的信息。橫軸顯示光的波長和頻率；縱軸顯示相對亮度。為清晰起見，頂部光譜向上移動。圖中紅色顯示的是NCv1.143星系，紫色顯示的是APM 08279+5255。來源：Chentao Yang 等人

早期宇宙星系的獨特性

雖然像這兩個星系這樣的星系非常罕見，但科學家們已經計劃利用NOEMA望遠鏡及其更大的姊妹望遠鏡–位於智利的ALMA（阿塔卡馬大毫米/亞毫米陣列）–來研究更多這樣的星系。這兩台望遠鏡都對波長約一毫米的光非常敏感。

“我們的研究結果表明，NOEMA 憑藉其寬頻接收器和強大的相關計算機，為研究北半球天空中的極端星系提供了新的機會。在南半球，ALMA 計劃進行的寬頻靈敏度升級將帶來更加令人興奮的前景。」法國國家科學研究中心（CNRS）和索邦大學的天文學家皮埃爾-考克斯（Pierre Cox）說：”早期宇宙中最傑出的星系終於能夠透過它們的分子來講述自己的故事了。”

關於研究成果的更多信息

星際空間中已經探測到一百多種不同的分子。在這項研究中，天文學家發現了一氧化碳（CO）、氰基（CN）、乙炔基（CCH）、氰化氫（HCN）、甲醯陽離子（HCO+）等分子、異氰化氫(HNC) 、一硫化碳(CS)、水(H2O)、氫離子(H3O+)、一氧化氮(NO)、重氮(N2H+)、亞甲基自由基(CH) 和亞環丙烯基(c-C3H2) 。其中有幾種（CH、CCH、c-C3H2、N2H+ 和H3O+）以前從未在如此大的距離上出現過。

研究中的兩個星系的星表編號分別為APM 08279+5255 和NCv1.143。先前的研究表明，這兩個星系距離我們非常遙遠，它們的光線已經向我們傳播了近130億年，對應的紅移分別為3.911和3.565。紅移意味著宇宙的膨脹將來自遙遠星系的光線拉伸到更長的波長，這可以用電波望遠鏡觀測到。

儘管距離遙遠，這些星系在電波波長下卻發出耀眼的光芒。它們的訊號被放大了，這要歸功於位於光路徑上的其他星系團–這種效應被稱為重力透鏡效應。其中一個名為APM 08279+5255 的星係也是一個類星體，這個星系的中心由於圍繞著一個超大質量黑洞旋轉的物質而發出從射電波到X 射線的耀眼光芒。NCv1.143也可能包含一個中心黑洞。

編譯來源：ScitechDaily