宇宙之大無奇不有！在早期宇宙中，有我們銀河系的“雙胞胎”

簡介：天文學家已經使用被稱為引力透鏡的宇宙放大鏡來捕捉一個與我們的銀河系有一些驚人相似之處的星系發出的光——這一發現可能對星系的進化有深遠的影響，可能會改變我們對星系演化的看法

宇宙放大鏡發現了早期宇宙中類似銀河系的星系,和宇宙學家的期望並不相符。

天文學家使用ALMA（阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠鏡）射電天文臺發現了一個極為遙遠的星系（SPT0418-47），看起來與銀河系非常相似。該星系受附近星系引力透鏡效應影響，在天空中呈現出近乎完美的圓形光環。【

阿塔卡馬毫米/亞毫米波陣列望遠鏡位於智利北部的阿塔卡馬沙漠【圖源：twanight】

當天文學家遙望深邃的宇宙，能從如此遙遠的距離看到的，可能只有那些極為明亮的星系。而宇宙放大鏡——又稱引力透鏡，卻能讓我們看見數十億光年遠的普通星系。

引力透鏡示意圖【圖源：Wikimedia】

如今，天文學家們已經利用引力透鏡捕捉到了一個與銀河系有著明顯相似之處的星系所發出的光，這一發現可能會對星系演化產生深遠影響。

弗朗西斯卡·裡佐（德國馬克斯·普朗克天體物理學研究所）和他的同事觀測到了來自120億年前的一個星系發出的光，那是一個正在形成的年輕星系。它發出的光行進了90億年，偶然情況下經過位於它和我們觀察者之間的前景星系。前景星系的引力使光線彎曲從而扭曲了星系的形狀。因此，從我們地球的角度來看，遙遠的星系呈現出一個完整的環形，即愛因斯坦環。

馬克斯?普朗克天文研究所是馬克斯?普朗克協會的一個研究機構。它位於德國巴登-符騰堡海德堡，靠近奧登瓦德，毗鄰歷史上的王座山天文臺（Landessternwarte Heidelberg-K?nigstuhl）【圖源：Wikimedia】

哈勃太空望遠鏡拍攝到的“愛因斯坦環”。紅色星系充當了藍色遙遠星系的引力透鏡。【圖源：NASA】

裡佐（Rizzo）的團隊使用位於智利的阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠鏡（ALMA）拍攝了該星系冷氣體的光芒以及恆星形成產生的輻射。他們而後根據觀測到的影象，重建了這個星系，復原了它未經引力透鏡扭曲，本該顯在ALMA上的樣子。裡佐說，這個過程相當棘手，不過扭曲的星系影象是個完整的愛因斯坦環，這一點很有幫助，它縮小了重建過程中的不確定空間。

研究小組使用計算機建模技術解析了ALMA資料，從而還原了遙遠星系的真實形狀，如圖所示。

經過計算機還原的星系很小，大約比銀河系小10倍，而且其中的恆星造星運動非常活躍，其速度約為銀河系中恆星形成速度的100倍。目前的推測：早期宇宙中的星系剛剛開始生長，因此天文學家認為這些星系會比較小並且生成新恆星的速度非常快。

不過，這個代號為SPT0418-47的星系的形狀和運轉方式都與銀河系驚人地相似。他和銀河系一樣，是一個帶有凸起的盤狀星系。而且出乎意料的是自轉很大程度上主導了星系的氣體運動。在這個星系中，自轉運動相較於隨機運動占主導地位，比率約為10：1。這些結果刊登在8月12日（2020年）的《自然》雜誌上。

上圖顯示了星系SPT0418-47中的氣體運動，其中藍色和紅色分別表示氣體運動朝向和遠離觀察者。左圖為愛因斯坦環中的氣體運動，而右圖為重建星系中的氣體運動。根據這些觀察結果推斷，星系呈圓盤狀，中心帶有凸起，星系中的冷氣體圍繞中心旋轉。【

天文學家透過宇宙學模擬推測出在早期宇宙疏鬆的盤狀星系中，影響氣體運動的因素除了自轉外，還有許多其他的作用力。比如新生恆星發出的輻射，還有超新星爆發都能推動氣體向外散發。同樣，位於星系中心的吞噬氣體的黑洞可能噴射等離子流，從而擾亂星系中心的氣體旋轉。但是這些力量似乎並沒有擾亂這個星系的運動。它的盤面像銀河系一樣平穩地旋轉。

不過，馬塞爾?尼爾曼（Marcel Neeleman，德國馬克斯?普朗克天文研究所）強調，利用宇宙學模擬來進行這種比較並非易事。他說：“對於宇宙學模擬而言，想要真正測量旋轉運動與隨機運動的比率仍然非常困難。要正確測量出這個數量並進行資料對比，就需要對冷氣體進行建模，而大多數模擬模型（包括本文提到的宇宙模擬模型TNG50）都無法做到這一點。”

宇宙模型TNG50其中8個星系的模擬星光影象，包括俯檢視和側檢視。【圖源：tng-project】

也就是說，尼爾曼認為要想從年輕宇宙更多的星系樣本中復現這些發現，我們的確可能需要重新審視自己對星系演化的認知。

尼爾曼解釋說，以前的宇宙模擬模型中，星系往往過早地演化出太多恆星。當前的模擬模型透過納入其他已知步驟來解決這個問題，例如上述提到吞噬氣體的黑洞和新生恆星產生的反作用力。加入這種反饋能夠防止宇宙氣體產生太多的恆星，還會擾動氣體，使其產生湍流。

“但是，氣體沒有湍流並不是未加入反饋的模型過早演化出太多恆星的原因” ，尼爾曼說。也許恆星的形成和黑洞的吞噬仍然起著一定的作用，但並不會擾動冷氣體。也許反饋的作用並沒有我們想像的那麼重要。

星系的命運

我們所見的是這個星系嬰兒時期的影像，當時宇宙形成不足20億年。但是，即便是星系也必然走向衰老。我們永遠都不會看到這個星系的即時影象，但可以肯定，它必然大不相同。

依照我們目前對星系演化的認知，該星系終將耗盡恆星形成所需的物質，並與其相鄰星系發生一些合併，最終成為一個巨大的橢圓星系，僅有年老的紅色恆星昭示著宇宙中時間的流逝。（裡佐說，銀河系存在於一個完全不同的宇宙中，它將避免這種“紅色死亡”的命運。）

然而，如果這個星系和其他類似星系的發現最終改變了我們對星系演化的看法，目睹這些預測的改變將成為一件趣事。

作者:MONICA YOUNG

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