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為甚麼宇宙年輕時就看起來就這麼成熟?(圖)
【明慧網二零零五年一月十二日】(明慧通訊員報導)由於光在宇宙中傳播需要時間,因此當星體離地球愈遙遠,星體發出的光需花愈多的時間才能抵達地球,因此當看到的星體愈遠時,相當於看到宇宙愈年輕時、愈原始的模樣。

「等級制理論(Hierarchical Model)」認為:當宇宙年輕時,到處充斥著不成熟的小星系,隨著宇宙年齡增長,小星系再彼此互相合併形成大星系,因此星系的模樣應該是隨著宇宙的年齡從稚嫩到成熟。

不過,天文學家仍不清楚絕大多數恆星誕生的那個宇宙時期,究竟正在進行甚麼樣的變化。下圖顯示出宇宙從137億年前開始的演化歷史。

日前,英國天文學家利用雙子星北座望遠鏡(Frederick C. Gillett Gemini North Telescope)觀測後,發現約80~110億年前、宇宙年輕時的許多星系比天文學家想像的還要成熟,幾乎已經完全發展成形。因此,現行的宇宙論,勢必要再做修正。這個發現,是利用300多個星系的光譜分析而得。相關論文將陸續發表在天文物理期刊(The Astrophysical Journal)與天文期刊(The Astronomical Journal)中,屬於The Gemini Deep Deep Survey (GDDS) 研究的一部份。

上述300多個星系,多半是位在宇宙中、天文學家稱之為「紅移荒漠(Redshift Desert)」的地方。這裏相當於宇宙僅30~60億年之處(距今80~110億年前),說「荒漠」,並不是真的都沒甚麼星系,而是因距離非常遙遠,且因星系因宇宙膨脹造成整個光譜嚴重紅位移,故星系不但很暗、而且發出的光都偏在長波長的光譜區中,受限於望遠鏡的效能,罕能偵測,因此相關的研究還很少;之前多半是挑選已經有非常大量恆星正在形成、亮度較亮的星系來觀測。

口徑8米的雙子星北座望遠鏡,這次所搜集的300多個星系光譜,則涵蓋了恆星數較少、星系亮度比較暗、但質量比較大的星系來研究,是到目前為止最完整的「紅移荒漠」星系光譜資料。從光譜可以決定星際氣體中所含有由恆星所產生的重元素,並藉此決定星系中恆星演化的歷史。結果顯示:這些星系中的重元素含量多得超乎想像!這表示:這些大質量星系已經高度發展,也就是說在星系年輕時形成的恆星都已經逐漸消失;因此天文學家才會覺得困惑:這時候不是應該是恆星才開始形成沒多久的時候嗎?怎麼會已經演化到恆星開始消失了呢?是宇宙早期的星系演化方式與現今不同?還是宇宙早期的黑洞多到會作怪?

上圖為加-法-夏威夷望遠鏡(Canada-France-Hawaii Telescope)拍攝到的室女座星系團(Virgo cluster of galaxies)的一小部份,室女座星系團離地球約4500萬光年,圖中兩個大型的橢圓星系就是這個星系團中的主宰。天文學家認為橢圓星系應是比較古老、質量比較大的星系,與GDDS的300多個星系中的其中幾個很類似,但GDDS的研究對像在80~110億光年遠,可比室女座星系團遠多了。而左圖畫面偏右方及右下角的明亮螺旋星系,離地球算是比較近的,星系呈現藍色的外表,表示其中的恆星形成相當活躍;GDDS在紅移荒漠中觀測到的絕大多數星系,其活躍程度則與這些亮藍螺旋星系類似,但因非常遙遠,所以比較昏暗而難於觀測。這個畫面只是提供給大家參考一下。

參考資料來源:https://www.pparc.ac.uk/Nw/young_galaxies.asp

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