“射手為王”的綠豆星系造成再電離

綠豆星系的發現為理解早期宇宙的演變提供了新的線索，新形成的矮星系特性可以作為宇宙在130億年前處於高溫緻密態的證據。以弗吉尼亞大學研究人員為主體的國際科學家團隊找到了一條通往早期宇宙的新路徑。在大約140億年燦爛恢弘的宇宙歷史中，科學家將宇宙時間史的指標迴轉到宇宙大爆炸後的數十萬年，那時的宇宙好像一個自然大熔爐，原子在如此高的溫度和密度作用下被電離了，中性原子不能形成，自由的電子像光子那樣雜亂無章地跳躍，混沌的宇宙不是一個透明體，但在宇宙誕生之後的大約38萬年，物質在宇宙快速膨脹的過程中逐漸冷卻，溫度下降到中性原子形成的條件，原子和分子態的物質形成了，最早的氫氣體物質產生了，氫和氦的氣體物質聚集成了氣體雲。

大量的氣體物質在引力作用下聚整合團球，引力的更大作用引發了氣體雲物質的塌縮，在塌縮氣體雲中誕生了第一顆恆星，而第一批星系在更大尺度氣體雲物質的相互作用中產生了。在宇宙大爆炸之後的大約10億年發生了一個重要的天文轉換事件，宇宙被第一批恆星重新加熱，太空中極為豐富的氫原子發生了第二次電離，10億年的宇宙還處在早期階段，天文學家將氫原子氣體雲產生第二次電離的事件稱為宇宙的“再電離”，第二次電離怎樣產生？科學家看法不一，爭議不斷，有天文學家認為星系本身造成了第二次電離。

在弗吉尼亞大學的天文學家鄭僐帶領下，國際科學家團隊在很大程度上檢驗了星系本身產生第二次電離的假說，在《自然》雜誌發表的成果中，鄭僐和烏克蘭科學院、捷克共和國科學院、瑞士日內瓦大學、法國國家科學中心和德國馬克斯·普朗克研究所天文分所的科學同事共同合作，團隊成員使用了搭載在哈勃太空望遠鏡上的紫外線光譜儀，用收集的資料證實了他們的觀點。他們在一顆緊湊的矮星系中發現了大量的電離化光子，這些光子充斥了星系間的星際介質，團隊成員相信電離的或被釋放的光子成了宇宙再電離的關鍵因素。鄭博士解釋說：這個緊湊的矮星系似乎與本地矮星系十分相似，從早期矮星系的特徵可能找到早期宇宙的再電離原因。

新發現的積極意義在於人們在探索再電離現象時有了一個很好的“星系標本”，不然的話，人們在對宇宙形成時期產生的電離現象解釋時感到束手無策，也拿不出有說服力的證據。早期宇宙的普通物質主要由氫氣構成，恆星和恆星團在氣體雲團中誕生，第一批恆星和星系隨之出現，在早期恆星發射的紫外線輻射中含有大量的電離化光子，科學家很早就以此推測，星系本身形成了宇宙再電離的機制。在再電離現象發生時，星系將電離化的光子拋入星際介質中，不然的話，這些光子很容易被氣體和塵埃吸收，難以逃離氣體和塵埃吸附的“魔爪”。經過20年的加強搜尋，科學家沒有發現有足夠發射能力的星系，對宇宙再電離形成機制的解釋顯得撲朔迷離。

為了化解宇宙學再電離的謎團，國際科學團隊選擇了2007年發現的“綠豆星系”或“豌豆星系”，這些矮星系表示了早期宇宙星系的罕見型別，它們在光感器中發出了綠色，好像一顆豌豆的圓潤而緊湊，天文學家認為綠豆星系含有爆發的恆星，這些恆星能夠發出相當強的恆星風，電離化光子被恆星風“彈射”出去。團隊成員檢測了斯隆數字巡天勘察（SDSS）收集的資料，100多萬個星系的資料存放在資料庫中，他們在星系資料庫中確定了大約5000個符合標準的星系，這些星系發射了非常強烈的紫外輻射，團隊成員最後從5000個星系中精心挑選了5個星系，使用哈勃太空望遠鏡對它們進行了細緻觀測。

哈勃望遠鏡攜帶了紫外線輻射探測儀，綠豆星系J0925+1403位於地球以外30億光年的位置，它發射了強烈的電離化光子，發射的強度前所未見，科學團隊的發現顯示，綠豆星系一類的星系成為了解釋宇宙再電離的證據，觀測結果令人信服，相應地證實了宇宙學中一個十分流行的假說：宇宙再電離由特別的星系引起。鄭博士解釋說，他們額外地增加了哈勃望遠鏡的觀測手段，期待獲得更好的影象，以清楚地顯現這類星系發射電離化光子的過程，驅動宇宙再電離的特別型別的星系被篩選出來。追溯宇宙早期再電離的演變或在時間回放的宇宙早期，對這類星系的觀測非常關鍵，觀測和分析的結果為未來研究鋪平了道路，哈勃太空望遠鏡的“繼任者”——詹姆斯·韋伯太空望遠鏡經過了技術升級，科學團隊期待獲取第一批星系和宇宙再電離現象的細節資訊。

（編譯：2016-1-15）