宇宙巨星的誕生之謎:十億年不變的條件
139 觀看·2024年1月14日
当我们抬头仰望星空时,我们看到的大多数亮点都是恒星,它们是由氢气和其他元素组成的巨大的燃烧球。恒星并不是孤立存在的,它们通常聚集在一起,形成了我们称之为星系的宇宙岛屿。
星系的数量是难以想象的,据估计,仅仅在我们所能观测到的宇宙中,就有超过两万亿个星系。而星系之间也不是相互隔绝的,它们受到引力的作用,会形成更大的结构,这就是我们要介绍的星系团。
在这项研究中,研究人员观察了宇宙中最亮和最大的一类星系,叫做最亮的星系团星系(BCGs),它们位于95个星系团的中心。所选的星系团本身就是一个极端的样本——它们是使用南极望远镜(SPT)进行的大型调查中最大的星系团,得到了美国国家科学基金会和能源部的资助支持——并且距离地球34到99亿光年。
BCGs是由数百亿颗恒星组成的巨型椭圆星系,它们的质量是太阳的千亿倍,是银河系的十倍。它们通常位于星系团的中心,被大量的高温气体包围,这些气体可以发出X射线。BCGs是宇宙中最古老的星系之一,它们的恒星形成历史可以反映宇宙的演化过程。然而,BCGs的恒星形成机制还不是很清楚,有些BCGs仍然在产生新的恒星,而有些BCGs则已经停止了恒星形成。
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星系團是什麼?爲什麼要研究它們?
當我們抬頭仰望星空時
我們看到的大多數亮點都是恆星
它們是由氫氣和其他元素組成的巨大的燃燒球
恆星並不是孤立存在的
它們通常聚集在一起
形成了我們稱之爲星系的宇宙島嶼
星系的數量是難以想象的
據估計,僅僅在我們所能觀測到的宇宙中
就有超過兩萬億個星系
而星系之間也不是相互隔絕的
它們受到引力的作用,會形成更大的結構
這就是我們要介紹的星系團
星系團是由引力粘在一起的宇宙中最大的結構
它們包含了數百到數千個星系
通常尺度在數百萬秒差距或數百萬光年
星系團中不僅有星系
還有大量的高溫氣體
可以發出X射線
以及看不見的暗物質
它們的質量遠遠超過了可見的物質
星系團是宇宙中物質和能量的集中地
它們對宇宙的演化和結構有着重要的影響
通過研究星系團
我們可以探索宇宙的起源
演化和命運
以及暗物質和暗能量等未解之謎
爲了研究星系團
天文學家們使用了各種各樣的望遠鏡
觀測了不同波長的電磁輻射
從無線電波到伽馬射線
每一種波長都可以揭示星系團的不同方面
在這篇文章中
我們將介紹一項關於星系團的最新研究
它是探索宇宙中最大的星系
如何誕生恆星的最全面的研究之一
這項研究利用了美國國家航空航天局的
潛德拉X射線天文臺等多種望遠鏡
發現了這些超大星系中孕育恆星的條件
在過去的一百億年裏沒有發生變化
在這項研究中
研究人員觀察了宇宙中最亮和最大的一類星系
叫做最亮的星系團星系
它們位於95個星系團的中心
所選的星系團本身就是一個極端的樣本
它們是使用南極望遠鏡進行的
大型調查中最大的星系團
得到了美國國家科學基金會和能源部的資助支持
並且距離地球34到99億光年
BCGS是由數百億顆恆星組成的巨型橢圓星系
它們的質量是太陽的千億倍
是銀河系的十倍
它們通常位於星系團的中心
被大量的高溫氣體包圍
這些氣體可以發出X射線
BCGS是宇宙中最古老的星系之一
它們的恆星形成歷史
可以反映宇宙的演化過程
然而BCGS的恆星形成機制還不是很清楚
有些BCGS仍然在產生新的恆星
而有些BCGS則已經停止了恆星形成
爲了探索BCGS的恆星形成歷史
研究人員利用了前德拉X射線天文臺等多種望遠鏡
觀測了95個星系團中的BCGS
分析了它們的X射線、光學和紅外數據
前德拉X射線天文臺
是一顆由美國國家航空航天局發射的X射線望遠鏡
它可以觀測到宇宙中最熱和最高能的現象
如黑洞、中子星和星系團
前德拉X射線天文臺已經運行了20多年
是人類歷史上最先進的X射線望遠鏡之一
下面的四幅圖像展示了一些星系團的例子
它們是這項研究的一部分
在這張圖中的四個星系團裏
前德拉探測到的高溫氣體的X射線是紫色的
美國國家航空航天局的哈勃太空望遠鏡的光學數據
主要顯示了星系團裏的星系
是黃色和青色的
這些圖像已經從標準的天文學家的配置旋轉了一定的角度
在這些圖像中
我們可以看到一些有趣的現象
例如
在SPTCLJ03076225中
BCG位於圖像的右下角
而不是中心
這可能是因爲這個星系團正在發生合併
導致BCG被推離了中心位置
另外
在SPTCLJ06155746中
我們可以看到一些長而窄的特徵
它們是由引力透鏡造成的
其中
星系團中的質量扭曲了來自星系團後面的星系的光
這些圖像中的引力透鏡效應
可以幫助我們測量星系團中的暗物質的分佈和質量
暗物質是一種看不見的物質
它佔據了宇宙中大約85%的物質
但它的本質還是一個謎
研究團隊發現
他們研究的星系中恆星形成的關鍵因素
是當高溫氣體中的無需運動的程度
一個被稱爲傷的物理概念
降低到一個臨界點以下
低於這個臨界點
高溫氣體就會冷卻下來
形成新的恆星
傷是一個描述系統的混亂程度的量
它與溫度和壓強有關
高溫氣體中的傷越高
說明氣體越混亂越難以冷卻
因爲冷卻需要氣體的分子減少運動
當氣體的傷低於一個特定的值時
氣體就可以通過輻射能量的方式冷卻下來
從而促進恆星的形成
研究人員發現
這個臨界點的值
在過去的100億年裏沒有發生變化
這意味着BCGS中恆星形成的條件是恆定的
不受宇宙的演化的影響
這個結果與之前的一些研究相矛盾
這些研究認爲
BCGS中恆星形成的速率隨着時間的推移而增加
研究人員認爲
這種差異可能是由於不同的樣本選擇
或不同的觀測方法造成的
他們建議進一步的研究來解決這個問題
除了已經提到的
潛得拉X射線天文臺和SPT的X射線數據
和無線電數據外
這個結果還使用了澳大利亞的兩個無線電望遠鏡
美國國家航空航天局的YS衛星的紅外數據
以及幾個光學望遠鏡
這些望遠鏡的協同觀測
可以提供更多的信息
幫助我們理解BCGS的性質和演化
這項研究使用了將近50天的潛得拉觀測時間
是潛得拉X射線天文臺的一個重大項目
這個項目的主要研究人員
是來自美國賓夕法尼亞州立大學的Michael McDonald教授

