ALMA利用天然宇宙望远镜发现旋转的婴儿星系


由NASA/ESA哈勃太空望远镜拍摄的星系团RXCJ0600-2007的图像,结合由ALMA观测到的124亿光年远的星系RXCJ0600-z6的引力透镜图像(红色显示)。由于星系团的引力透镜效应,RXCJ0600-z6的图像被增强和放大,似乎被分成了三个或更多的部分。CREDIT ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Fujimoto等人,NASA/ESA哈勃太空望远镜

通过使用阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列(ALMA),天文学家发现了一个旋转的婴儿星系,它的大小是银河系的百分之一,而当时宇宙的年龄只有现在的百分之七。

由于援助的引力透镜效应,首次团队能够探索小而暗的本质“正常星系”在宇宙早期,代表的主要人口第一个星系,这将大大推进我们的理解星系演化的初始阶段。

“许多早期宇宙的星系存在非常小,它们的亮度低于当前地球上最大的望远镜的极限空间,使得难以研究它们的属性和内部结构,”尼古拉Laporte说卡夫里剑桥大学的高级研究员。“然而,来自RXCJ0600-z6星系的光被引力透镜放大了,使其成为研究典型幼年星系性质和结构的理想目标。”

引力透镜是一种自然现象,从遥远的物体发出的光被巨大物体的引力弯曲,比如位于前景的星系或星系团。“引力透镜”这个名字来源于一个事实,即大质量物体的引力作用就像一个透镜。当我们透过引力透镜看时,远处物体的光被增强了,它们的形状被拉长了。换句话说,它是一个漂浮在太空中的“自然望远镜”。

ALMA透镜星系团调查(ALCS)团队利用ALMA搜索了早期宇宙中大量因引力透镜作用而扩大的星系。结合ALMA的力量,在自然望远镜的帮助下,研究人员能够发现和研究较暗的星系。

为什么探索早期宇宙中最微弱的星系至关重要?理论和模拟预测,大爆炸后几亿年形成的大多数星系都很小,因此很微弱。虽然之前已经观测到一些早期宇宙中的星系,但由于望远镜的能力,这些研究仅限于质量最大的物体,因此也仅限于早期宇宙中不那么具有代表性的星系。要想了解第一个星系的标准形成,并获得星系形成的完整图像,唯一的方法就是关注那些较暗且数量较多的星系。

ALCS团队进行了一个大规模的观测项目,用了95个小时来观测33个可能导致引力透镜效应的星系团的中心区域,这对于ALMA的观测来说是很长的时间。其中一个名为RXCJ0600-2007的星团位于牛耳座的方向,质量是太阳的1000万亿倍。研究小组发现了一个遥远的星系,它受到这台天然望远镜产生的引力透镜的影响。ALMA探测到了来自星系中的碳离子和星尘的光,并结合双子望远镜所获得的数据,确定了该星系在大爆炸后的9亿年前(129亿年前)。对这些数据的进一步分析表明,这个光源的一部分比它本身的亮度要亮160倍。

通过精确测量星系团的质量分布,有可能“撤消”引力透镜效应,并恢复被放大物体的原始外观。通过将哈勃太空望远镜和欧洲南方天文台的甚大望远镜的数据与理论模型相结合,该团队成功地重建了遥远星系RXCJ0600-z6的实际形状。这个星系的总质量大约是太阳的20到30亿倍,而太阳的质量大约是我们银河系的1/100。

让研究小组惊讶的是RXCJ0600-z6正在旋转。传统上,人们认为年轻星系中的气体具有随机、混沌的运动。直到最近,ALMA才发现了几个旋转的年轻星系,挑战了传统的理论框架,但它们比RXCJ0600-z6亮几个数量级(大几个数量级)。

“我们的研究首次证明,我们可以直接测量早期宇宙中如此微弱(质量较小)的星系的内部运动,并将其与理论预测进行比较,”东京大学教授、ALCS团队的领导者Kotaro Kohno说。

“RXCJ0600-z6具有非常高的放大系数这一事实也提高了对未来研究的期望,”Niels玻尔研究所的DAWN研究员Seiji Fujimoto解释说。这个星系已经从数百个星系中被选中,将被詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)观测。下一代太空望远镜将于今年秋天发射。通过ALMA和JWST的联合观测,我们将揭示一个小星系中的气体和恒星的性质及其内部运动。当30米望远镜和超大望远镜完成后,它们可能能够探测星系中的星团,甚至可能分辨单个恒星。有一个例子是引力透镜,它被用来观察95亿光年之外的一颗恒星,而这项研究有可能将其扩展到宇宙诞生后不到10亿年的时间。”

这些观察结果由Seiji Fujimoto等人提出。“ALMA透镜星团调查:来自z = 6.0719的多重成像亚l *星系的明亮[CII] 158 μm线”发表在2021年4月22日的《天体物理杂志》上,Nicolas Laporte等人。“ALMA透镜星团调查:z > 6的强透镜多成像尘埃系统”发表在2021年4月22日的《皇家天文学会月刊》上。

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