【博科园-科学科普】在探索宇宙的过程中，科学家们已经深入地探索了宇宙空间。最终目标是确定我们宇宙中的第一个星系是什么时候形成的，以及它们对宇宙演化的影响。最近寻找这些最早的岩层的努力已经探测到距离地球130亿光年的距离，即大爆炸后约10亿年。
（图注1）这是一张哈勃望远镜拍摄的图像，它是将光线从遥远的星系中聚焦，其中包括早期宇宙中一些非常多尘埃的恒星形成星系(在这张图片中几乎是类似的蓝色斑点)。图片：NASA-Hubble
从这个意义上说：科学家现在能够研究早期的星系是如何影响它们周围的物质的，特别是中性原子的具体化。不幸的是大多数早期的星系都很微弱，这使得研究它们的内部变得很困难。但由于最近由一个国际天文学家团队进行的一项研究：一个更明亮、更大的星系被发现可以清楚地看到早期星系是如何导致再电离的。
这项研究将他们的发现命名为“在z ~ 7中发现的一个巨大的尘埃恒星形成星系的ISM特性”，最近发表在《天体物理学杂志快报》上。在德国波恩的马克斯·普朗克射电天文学研究所的研究人员的带领下，该团队依靠来自南极望远镜(SPT)- sz的数据和阿尔玛的数据，发现了一个在130亿年前就存在的星系（大爆炸后仅仅8亿年）。
（图注2）在宇宙年龄的尺度中，通过先前的哈勃深场对星系的进行阐述。图片：NASA and A. Feild (STScI)
根据宇宙学的大爆炸模型，再电离指的是在被称为“黑暗时代”的时期之后发生的过程。这发生在大爆炸后38万到1.5亿年之间，宇宙中的大多数光子与电子和质子相互作用，这一时期的辐射是我们目前的仪器无法探测到而因此得名。
在此之前“重组”发生，氢和氦原子开始形成，最初电离（没有电子束缚于原子核）这些分子在宇宙冷却时逐渐捕获离子，变得中性。在随后的时期——即大爆炸之后的1.5亿到10亿年之间，宇宙的大规模结构开始形成。
这是一个具体化的过程，第一批恒星和类星体形成，它们的辐射对周围的宇宙进行了具体化。因此很清楚天文学家为什么要探测宇宙的这个时代。通过观察第一批恒星和星系，以及它们对宇宙的影响，天文学家将会更清楚地了解到这一早期阶段是如何形成我们今天所知道的宇宙的。
幸运的是研究小组发现，这一时期巨大的恒星形成星系中含有大量的尘埃。虽然在光带中非常微弱，但这些星系发出的强辐射是亚毫米波波长，这使得他们可以使用今天的先进望远镜——包括南极望远镜(SPT)，Atacama探路者实验(APEX)和Atacama大毫米阵列(ALMA)。
（图注3）NASA的斯皮策太空望远镜拍摄了这张令人惊叹的银河系中心的红外图像，在那里有一个黑洞在人马座A那里。图片：NASA/JPL-Caltech
为了他们的研究，斯特拉特和韦斯依靠来自SPT的数据来探测来自早期宇宙的一系列尘埃星系。马克斯·普朗克射电天文学研究所的玛丽亚·斯特拉迪和阿克塞尔·维斯(分别是这项研究的主要作者和合著者)：
使用了大约1毫米波长的光可以通过像SPT、APEX或ALMA这样的mm望远镜观察到。在这个波长上，光子是由尘埃的热辐射产生的。使用这一长波长的好处是对于一个大的红移范围(回溯时间)，由于距离的增加星系的变暗由红移补偿，因此观察的强度与红移无关。这是因为对于更高的红移星系，一个人正在寻找本质上较短的波长(由(1 + z))，在那里辐射更强的热光谱，如尘埃光谱。
接下来是阿尔玛(ALMA)的数据，该研究小组通过观察星际介质中一氧化碳分子的红移波长来确定星系的距离。从他们收集的所有数据中可以通过观察其谱线来限制其中一个星系spt0311 - 58的性质。在这样过程中可以确定这个星系在大爆炸之后仅仅有七亿七千万年。
由于1mm的信号强度与红移无关(回看时间)，如果物体相对接近(在宇宙学的意义上)或在具体化的时代就没有一个先验的线索，这就是为什么我们进行了一项大型研究调查，通过使用ALMA的分子线来确定红移。spt0311 - 58是这项研究中发现的最高的红移天体，事实上是迄今为止发现的最遥远的巨大的尘埃恒星星系。
（图注4）紫外线、可见光和红外光中看到的哈勃超深场。图片：NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI)
根据观察还确定spt0311 - 58的质量约为330亿太阳质量，大约是银河系(大约有50亿个太阳质量)的66倍，还估计正在以每年几千的速度形成新的恒星，科学家认为这是邻近星系的标准，也可以追溯到这个时期。
这个稀有而遥远的天体是迄今为止研究宇宙早期的样子以及它是如何演化的最好的候选之一。这将使天文学家和宇宙学家们能够测试大爆炸理论的理论基础。
这些物体对于理解星系的演化是很重要的，因为在这一来源中已经存在大量的尘埃，在大爆炸之后只有7.6亿年，这意味着它是一个极其巨大的物体。事实上当宇宙还如此年轻的时候，如此巨大的星系已经存在，这就给我们对星系质量积累的理解带来了强烈的限制。此外灰尘还需要在很短的时间内形成，这就可以对来自第一恒星群的尘埃产生更多的见解。
观察太空的能力导致了许多令人惊讶的发现。这些反过来又挑战了我们关于宇宙中发生的事情的一些假设，最后正在帮助科学家创造一个更详细、更完整的宇宙演化的描述，不久的将来我们甚至可以探索宇宙中最早的时刻，并在行动中观察创造！
参考：NASA，CfA，天体物理学杂志
来自：Universe Today
作者：Matt Williams
编译：中子星
审校：博科园
