研究人员确定了结束 ‘宇宙黎明,’ 再电离时代

由遥远类星体的强光提供的宇宙历史视图示意图。 用望远镜观察(左下)可以让我们获得关于大爆炸阶段(右上)之后所谓的再电离时期(“气泡”右上角)的信息。 图片来源:卡内基科学研究所 / MPIA(注释)

由马克斯普朗克天文学研究所的莎拉博斯曼领导的一组天文学家有力地将中性氢气再电离时代的结束时间定在大爆炸后约 11 亿年。 再电离开始于宇宙“黑暗时代”之后第一代恒星形成时,在这段漫长的时期内,只有中性气体在没有任何光源的情况下充满了宇宙。 这一新结果解决了一场持续了 20 年的争​​论,并从 67 个类星体的辐射特征中得出结论,这些类星体带有光在到达地球之前通过的氢气的印记。 查明这个“宇宙黎明”的结束将有助于确定电离源:第一批恒星和星系。

宇宙从开始到现在的状态经历了不同的阶段。 在大爆炸后的最初 380,000 年中,它是一种炽热而致密的电离等离子体。 在这段时间之后,它冷却到足以让充满宇宙的质子和电子结合成中性氢原子。 在这些“黑暗时代”的大部分时间里,宇宙没有可见光源。 大约 1 亿年后,随着第一批恒星和星系的出现,这些气体逐渐被恒星电离’ 紫外线 (UV) 辐射。 这个过程将电子与质子分离,使它们成为自由粒子。 这个时代俗称“宇宙黎明”。 今天,分布在星系之间的所有氢,即星系间气体,都已完全电离。 然而,当这种情况发生时,这是科学家们讨论得非常激烈的话题,也是一个竞争激烈的研究领域。

宇宙黎明的末日

由德国海德堡马克斯普朗克天文学研究所 (MPIA) 的 Sarah Bosman 领导的一个国际天文学家团队现已将再电离时代的结束精确地计时到大爆炸后 11 亿年。 “我对宇宙经历导致太阳和地球形成的不同阶段的想法很着迷。很荣幸能为我们的宇宙历史知识贡献一个新的小部分,”莎拉博斯曼说。 她是今天发表在《皇家天文学会月报》上的研究文章的主要作者。

弗雷德里克戴维斯也是 MPIA 天文学家和该论文的合著者,他评测说:“直到几年前,普遍的看法是再电离在近 2 亿年前完成。现在,我们现在有最有力的证据表明这个过程已经结束了很多后来,在当代观测设施更容易观测到的宇宙时代。” 考虑到大爆炸以来的数十亿年,这种时间修正可能显得微不足道。 然而,在早期的宇宙演化中,再过几亿年就足以产生几十代恒星。 “宇宙黎明”时代的时间限制了它持续数亿年期间存在的电离源的性质和寿命。

这种间接方法是目前表征驱动再电离过程的物体的唯一方法。 直接观察这些第一批恒星和星系超出了当代望远镜的能力。 它们太微弱了,无法在合理的时间内获得有用的数据。 甚至像 ESO 这样的下一代设施’■ 超大望远镜(ELT)或詹姆斯韦伯太空望远镜可能难以完成这样的任务。

类星体作为宇宙探测器

为了调查宇宙何时被完全电离,科学家们采用了不同的方法。 一种是在著名的 21 厘米光谱线上测量中性氢气的排放。 相反,莎拉博斯曼和她的同事分析了从强背景光源接收到的光。 他们使用了 67 个类星体,这些明亮的热气体盘围绕着遥远活跃星系的中心大质量黑洞。 观察一个类星体光谱,它显示了它在观察到的波长上的强度,天文学家发现了光似乎缺失的模式。 这就是科学家所说的吸收线。 中性氢气在从光源到望远镜的过程中吸收这部分光。 这 67 个类星体的光谱具有前所未有的质量,这对这项研究的成功至关重要。

从地球上,我们一直在寻找宇宙的过去。 来自早期宇宙的遥远类星体的光穿过再电离时代已经部分电离的气体,这些气体排列在早期星系周围。 星系之间的中性氢气产生吸收的特征。 由于宇宙的膨胀,吸收线出现不同于紫外范围的红移。 学分:MPIA 图形部门

该方法包括观察相当于 121.6 纳米波长的谱线。 该波长属于紫外范围,是最强的氢谱线。 然而,宇宙膨胀将类星体光谱转移到更长的波长,光传播得越远。 因此,观测到的紫外吸收线的红移可以转化为与地球的距离。 在这项研究中,当紫外线到达望远镜时,这种效应将紫外线线移到了红外线范围内。

根据中性和电离氢气之间的比例,吸收程度,或相反,通过这种云的传输,达到一个特定的值。 当光遇到具有高比例电离气体的区域时,它不能有效地吸收紫外线辐射。 这个属性是团队正在寻找的。

类星体光在其路径上以不同距离穿过许多氢云,每一个氢云都在紫外范围内以较小的红移留下印记。 理论上,分析每条红移线的透射变化应该得出氢气完全电离的时间或距离

模型有助于解开相互竞争的影响

不幸的是,情况更加复杂。 自再电离结束以来,只有星系际空间被完全电离。 有一个连接星系和星系团的部分中性物质网络,称为“宇宙网”。 如果氢气是中性的,它也会在类星体光中留下痕迹。

为了解开这些影响,该团队应用了一个物理模型,该模型再现了在星系间气体已经完全电离的更晚时期测量的变化。 当他们将该模型与他们的结果进行比较时,他们发现在 121.6 纳米线偏移 5.3 倍的波长处存在偏差,对应于 11 亿年的宇宙年龄。 这种转变表明测量的类星体光的变化与仅来自宇宙网的波动不一致的时间。 因此,那是星系间空间中必然存在中性氢气并随后被电离的最新时期。 这是“宇宙黎明”的终结。

未来是光明的

“这个新的数据集提供了一个重要的基准,据此对宇宙进行数值模拟’第一个十亿年将在未来几年进行测试,”弗雷德里克戴维斯说。他们将帮助表征电离源,即第一代恒星。

“我们工作最令人兴奋的未来方向是将其扩展到更早的时间,朝向再电离过程的中点,”莎拉博斯曼指出。 “不幸的是,更远的距离意味着那些早期的类星体明显更暗。因此,ELT等下一代望远镜的扩大收集区域将至关重要。”