引力透镜后面的幼年星系

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2002年6月,人类迄今为止位置最高的天文望远镜-在太空轨道上面运行的哈勃望远镜,把它的镜头对准了一个名为Abell 1689的星系团,连续地暴光13个小时,接收暴光的是哈勃望远镜上面所安装的高级探测相机。不过这次哈勃望远镜的任务并不是要观测这个星系团本身,而是沿着指向Abell 1689星系团的视线看过去,试图探测到躲在该星系团后面的,更加遥远的星系。

引力透镜后面的幼年星系

作为引力透镜的星系团Abell 1689。

难道躲在Abell 1689星系团后面的星系有什么特别吗?不是。我们知道在天文观测当中,看到越远的天体,意味着它在时间上距离我们也越古老,也就是离宇宙大爆炸的起点越近。天文学家之所以要让视线穿过Abell 1689星系团,去看其后面的星系,是希望看到距离地球最远的星系,也就是在宇宙大爆炸之后不久刚刚诞生的幼年星系。实际上,正是这次观测,发现了距离地球至少130亿光年的3个幼年星系,这意味着我们看到的这3个星系的图像,是距今130亿年之前它们的形象。而目前已知的宇宙年龄是在130亿年到140亿年左右,因此它们一定是非常年幼的星系,属于宇宙最早开始形成的星系。

那么为什么要透过Abell 1689星系团去寻找如此遥远的幼年星系呢?Abell 1689星系团本身距离地球20亿光年,其总质量约为银河系的好几百倍,却包含在相对较小的空间里面,这使得该星系团的平均引力场强度比较大。根据广义相对论,引力场的强度属于时空本身的性质,反映为空间的曲率,即引力场强度越大的空间,其弯曲曲率越大。我们知道光线在空间的传播,是循着一条传播时间最短的路径。如果空间是平直的,那么光线的路径就是平常所谓的直线,或者反过来,我们实际上是把光线的路径定义为空间的直线。如果空间本身弯曲呢,那么相应地也把光波在其中传播的路径定义为弯曲空间中的“直线”,或称为测地线。光波只有循着空间里面的测地线,才是传播时间最短的路径。由于曲率越大的空间,通过其中的测地线的曲率也越大,实际上空间本身的曲率正是用通过其中的测地线的曲率定义的,所以在引力场越强的空间,光线通过其中时,其弯曲程度也越大。

然后我们再考虑透射望远镜之所以能够把远处的图像放大,就是因为视线在通过其所使用的透镜时,由于透镜介质的作用,使得来自目标的光线发生了偏转和弯曲,目标图像从而得到放大。那么相似地,当来自遥远星系的光线在通过Abell 1689星系团时,由于引力场的作用也发生了弯曲,使得该星系团对于这些穿过它们的光线而言,起到了类似光学透镜的作用,所以就把具有这种作用的天体及其相应空间,称为引力透镜。天文学家们正是通过Abell 1689星系团这块无比巨大的引力透镜,才看到了来自130亿年之前的幽暗星光。而如果单靠哈勃望远镜的话,是根本不可能看到这么遥远的幼年星系的,因为幼年期的星系本来就极其的暗淡。

本来天文学家们期望这次长达13小时的暴光,能够看到25到30个幼年星系,但是只看到了3个,而这次观测使用的高级探测相机所达到的敏感度,实际上还超出预计10%到15%,因此这个结果不免让实验人员略微感到不足。为了找到更多的幼年星系,进行该项观测的约翰.霍普金斯大学天文学家Benitez及其同事们,打算利用类似于Abell 1689星系团这样的更多的引力透镜来寻找幼年星系。而实际上加州理工学院的天文学家Ellis所领导的一个小组,已经运用哈勃望远镜上面另外一个敏感度较低的相机,通过8个引力透镜只找到了12个幼年星系。

幼年星系很少被看见的最主要原因,显然是因为星系在早期发育时,只能发射非常微弱的光。根据现在的星系演化理论,在大量的恒星和类星体开始形成和发光之前,星系所发出的昏暗的光还要被充满星系的中性氢大量吸收。而在星系规模还很小的时期,最初的恒星的形成曾经经历过一个非常艰难的过程,因为一旦少数恒星在星系当中得以形成,那些恒星就会加热还很小的星系当中的气体,使得那些气体难以继续凝聚而生成新的恒星。只有当星系本身随着宇宙的演化,而不断生长到适当规模的时候,才能突破这个使得新的恒星难以产生的阶段,开始大量出现新生恒星,从而在根本上增加星系的发光量。而一旦星系的演化进入这个阶段,由于恒星的强烈辐射,使得星际的中性氢被大量电离,从而星系的光波,能够不被吸收地发射到外部天空,也就更加增加了星系的光度。当然随着星系的年龄的增大,其离地球的距离也近了,这些因素合起来,就会显著地增加星系被我们观测到的机会。

实际上稍微年长而开始增加发光量的星系,也被哈勃望远镜的高级探测相机捕捉到了。亚利桑那州立大学的研究生Yan Haojing及其同事,就在一块只有满月的10分之1的天区,用哈勃望远镜的高级探测相机暴光7小时而发现了20多个昏暗的星系,显然这些星系的发育更加成熟了。

引力透镜后面的幼年星系

运用引力透镜来寻找暗物质存在的证据。

不过,天文学家们更感兴趣的可能还是那些藏在引力透镜后面的更年幼的星系。既然自然为我们提供了如此巨大的引力透镜,当然应该好好利用它们,去看看接近宇宙诞生的时期,到底发生了些什么奇迹。

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