研究人员使用星系作为“宇宙望远镜”来研究年轻宇宙的核心

一位艺术家的渲染图展示了星系团(透镜团)怎样充当引力透镜,放大和扩展来自背景星系的光。 这会产生更明亮且更容易用望远镜检测到的投影图像(在矩形面板中标记)。 这使得天文学家能够使用凯克天文台的 KCWI 仪器放大投影图像并绘制出两个银河系大小三分之二的巨型 DLA 的气体。 图片来源:WM Keck 天文台/Adam Makarenko

一种独特的新仪器,加上强大的望远镜和大自然的一点帮助,使研究人员能够窥探年轻宇宙中心的银河托儿所。

大约 138 亿年前的大爆炸之后,早期宇宙充满了巨大的中性扩散气体云,称为阻尼莱曼-α 系统或 DLA。 这些 DLA 充当了星系的托儿所,因为其中的气体缓慢凝结,为恒星和星系的形成提供燃料。 今天仍然可以观察到它们,但这并不容易。

北卡罗来纳州立大学物理学助理教授 Rongmon Bordoloi 说:“DLA 是了解宇宙中星系怎样形成的关键,但它们通常难以观察,因为云太分散而且本身不发光。”和该研究的通讯作者。

目前,天体物理学家使用类星体——发光的超大质量黑洞——作为“背光”来探测 DLA 云。 虽然这种方法确实允许研究人员确定 DLA 的位置,但来自类星体的光只能作为穿过大量云的小串,阻碍了测量它们的总大小和质量的努力。

但博多洛伊和夏威夷卡缪拉 WM 凯克天文台的首席科学家约翰·奥米拉(John O’Meara)通过使用引力透镜星系和积分场光谱来观察两个 DLA 及其内部的宿主星系,找到了解决这个问题的方法。 110亿年前,大爆炸后不久。

“引力透镜星系是指看起来被拉伸和变亮的星系,”博多洛伊说。 “这是因为在银河系前面有一个巨大的引力结构,当它向我们传播时,它会弯曲来自它的光。所以我们最终看到了这个物体的扩展版本——就像使用增加放大倍数的宇宙望远镜一样并为我们提供更好的可视化。

“这样做的好处是双重的:第一,背景物体延伸到天空并且明亮,因此很容易在物体的不同部分获取光谱读数。第二,因为透镜延伸了物体,你可以探测非常小的尺度。 为了 example,如果物体是一光年宽,我们可以非常高保真地研究小块。”

光谱读数使天体物理学家能够“看到”肉眼不可见的深空元素,例如弥散的气态 DLA 和其中的潜在星系。 通常,收集读数是一个漫长而艰苦的过程。 但该团队通过使用 Keck Cosmic Web Imager 执行积分场光谱分析解决了这个问题。

积分场光谱学使研究人员能够在它所瞄准的天空部分的每个像素处获得光谱,从而使天空上扩展物体的光谱学非常有效。 这项创新与拉伸和增亮的引力透镜星系相结合,使团队能够以高保真度绘制出天空中弥漫的 DLA 气体。 通过这种方法,研究人员不仅能够确定两个 DLA 的大小,还能够确定它们都包含宿主星系。

“我职业生涯的大部分时间都在等待这种组合:望远镜和仪器足够强大,大自然给了我们一些幸运的校准,以一种丰富的新方式研究不是一个而是两个 DLA,”O’Meara 说。 “很高兴看到科学取得成果。”

顺便说一句,DLA 是巨大的。 它们的直径超过 17.4 千秒差距,是当今银河系大小的三分之二以上。 相比之下,130 亿年前,一个典型的星系直径不到 5 千秒差距。 1 秒差距是 3.26 光年,1 千秒差距是 1,000 秒差距,所以光穿过每个 DLA 大约需要 56,723 年。

“但对我来说,我们观察到的 DLA 最令人惊奇的是它们并不是独一无二的——它们在结构上似乎有相似之处,在两者中都发现了宿主星系,它们的质量表明它们含有足够的燃料供下一代使用恒星形成,”博多洛伊说。 “有了这项新技术,我们将能够更深入地研究早期宇宙中恒星的形成方式。”

该作品发表在《自然》杂志上。