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哈柏扯破鬼星系面具

就在銀河系外不遠處,有些非常黯淡的超小矮星系,那裡的恆星數量非常少,長久以來,天文學者對於這些矮星系的恆星數量為何極低的現象一直很好奇。

這些貌似鬼影(可能是因為人「煙」稀少,像一座座鬼城而得名)的星系,一般都認定它們是宇宙中「最微小、最古老、又最原始」的星系。過去10年以來,在SDSS (Sloan Digital Sky Survey:史隆數位巡天計畫)的電腦全自動全天掃描的協助下,一部分這類型的星系初步已被發現,而更進一步想知道為什麼在這些星系中恆星的數量超低,則或許可由哈柏太空望遠鏡來幫忙解答。

經過哈柏望遠鏡的鑑定得知,這三個幼小星系裡的恆星出生時間差不多都是同一年代,它們開始形成恆星的時間大約都是在130億年前左右,然後在宇宙大霹靂開始起算10億年之後,突然間,它們集體退場,開始不再玩恆星形成的遊戲。

像這樣的星系,現在卻成為一個特別的證據使我們能得知,宇宙早期曾有過一段「過渡期」,該期間發生了一些特別的事情,讓一些微星系裡的恆星製造工廠被迫停擺。這些星系的年紀都差不多一樣的古老,如今看來,當時它們彷彿集體被一座斷頭台之類的東西給齊頭砍斷似的,因在同一時間內,它們的恆星形成過程全都一律中斷了。同樣地,也是在這段時間裡,第一代恆星燒掉冷氫氣霧,而那個過程被稱為再電離。根據這個研究的主持人Tom Brown表示,若要解釋這個現象,再電離可能是個最好的說明。

宇宙的再電離自大霹靂後約10億年左右開始。在此時期中,第一代恆星發出輻射,剝離了原始氫原子的電子,像這樣的冷氫氣的電離過程,可使氫氣體在紫外線中變成是透明的。

就像在這篇最新研究發現論文中所看到的現象一樣,然而,相當諷刺的是,啟動了宇宙再電離的這種輻射,另一方面似乎卻也打壓著矮星系裡的恆星生成。這些小得異常的星系,誕生時間大約是在再電離時期即將開始前大約1億年時,當時微星系們才剛開始吐出新恆星。這些小星系非常迷你,寬度只有2千光年,它就像位在銀河系附近那些較為明亮的矮星系的「縮小版」,兩者間彼此有著彷彿表兄弟般的類似。不過,和它們的大個頭表兄弟相比之下,這些不會製造恆星的小個頭星系,因為質量不夠,並沒有辦法抗禦紫外線的猛烈襲擊,當紫外線如洪水掃街經過這些小個頭星系時,小星系連僅有的一點點氣體也被紫外線掠劫一空!如此一來,供應氣體的源頭完全匱乏,小星系也就不能再製造新恆星了。

其次,這個研究的發現還能解釋另一個天文學家同樣略感疑惑的一個現象,也就是所謂的「衛星星系消失」的問題。長期以來,雖然在模擬中做出來的預測結果顯示著銀河系附近應該有幾千個矮星系,但在觀測中,我們一向能觀測到的卻大約只有幾十個而已。其中一個可能性就是:在那上千個矮星系當中,很多「最迷你」等級的矮星系全有著很低很低的恆星生成率-或者是根本沒有任何恆星生成,這對於要想觀測到這類矮星系來說,顯然無異於雪上加霜。

最近史隆數位巡天計畫在銀河系附近初步發現了十多個這種恆星數量超低的矮星系,不過這還只是該計畫完成1/4巡天掃描時所得到的結果,由此可推論,如果整個天區都完成掃描的話,這種矮星系的數量應該會增加到幾十個。再者,現在又找到了在這些最小的矮星系中有著恆星形成「遭到打壓中斷」的證據,這就使得天文學家可以進一步推論,或許「完全沒有恆星形成的矮星系」,數量更是應該高達幾千個之多也說不定。

STSI(太空望遠鏡科學研究所)研究員表示,在那些受觀測的矮星系中針對它們的恆星形成歷史進行測量所獲得的結果是,哈柏望遠鏡終於能確認,在那些團塊最小的矮星系裡,它們的恆星形成活動的確是會在「再電離」中被完全中斷。這個理論預測早先便已存在,如今藉由觀測獲得證實。

矮星系像是早期宇宙留下來的化石,它們幾十億年來都沒發生任何改變,它和銀河系附近大部分有著相當長的恆星形成歷史的星系們不盡相同。

在化石矮星系中,它們所蘊含的恆星數量大約只有幾百到幾千顆而已,亮度不太一定,若拿我們的恆星太陽來與之相比,從更暗到更亮的都有。雖然說以恆星數量論,這些星系奇缺恆星無比,但是它們卻有豐富的暗物質,而星系卻正是靠這些暗物質所架撐起來的。在銀河系附近的正常矮星系含有的暗物質是比普通物質多約10倍(所謂「普通物質」指的就是那些構成氣體和恆星的物質)。但是超暗矮星系卻不一樣,它的暗物質和普通物質之間的比例高達100:1。正如同Brown等人所進行的這個研究中所顯示的,小星系大部份組成成分都是暗物質,這是因為它們的氫氣體已經電離,恆星也無法發光,在史隆巡天計劃發現它們之前,這些暗物質孤島已經默不作聲地和我們銀河系長相左右了長達幾10億年之久。

剛發現這些星系時,天文學家曾提出多種解釋,以說明這些星系的恆星為什麼會那麼少。有些人相信這種現象是來自星系內部動力學所造成,譬如像是因為超新星爆炸,把製造恆星所需的氣體給吹出來了。有些人主張星系只不過是剛剛好用光了所有氣體,而它們的氣體量本來也不是很多。更有一部分人認為星系是誕生於早期宇宙,在「再電離期間」,把恆星形成的功能給關閉了。

接下來, 天文學研究人員在地面觀測方面取得了一些進展,因為他們找到在兩個新發現的星系中有清晰的證據顯示有著非常古老的恆星。這使Brown團隊決定使用哈柏的先進巡天相機深入到6個星系裡面去詳細看一些星族,以便能得知它們的誕生時間。目前為止Brown團隊已完成其中3個星系的資料分析:武仙座(Hercules), Leo IV, 和大熊座(Ursa Major)。此3個星系和地球的距離大約33萬到49萬光年遠。

Brown團隊是用分析亮度和顏色的方式來測量恆星年齡的,他將這些星系裡的恆星和位在26000光年以外一個古老的M92球狀星團裡的恆星加以比較,M92是宇宙中最古老的天體之一,年紀至少在130億歲以上,而分析結果顯示,這3個星系裡的恆星的年齡和M92裡的恆星是同等古老。

超暗矮星系裡的恆星分佈很稀疏,這正是為什麼沒有人用哈柏望遠鏡來觀測它們的原因。不過Brown團隊卻反而覺得超暗矮星系可以是哈柏相當好的觀測目標,原因是哈柏有針對恆星年齡做精密鑑定的能力。雖然一張張哈柏照片時乍看之下,裡頭幾乎很難找到恆星,「但重點是我們找到的少數幾顆卻已經能告知我們星系的年齡是多少。」(Lauren譯)

圖說:三張由哈柏望遠鏡取得的圖像,顯示出一個暗淡,恆星數量很少的矮星系: Leo IV。左圖顯示星系的局部,白色矩形框長寬為163x 83光年,中間圖像是左圖白色矩形框的放大。Leo IV這顆矮星系裡的恆星,在鄰近恆星以及遙遠的背景星系相襯下,顯得相當黯淡。右圖則僅顯示出Leo IV矮星系裡的恆星。該恆星含有幾千顆恆星,主要由類似太陽的較暗的紅矮星或者一些比太陽亮的紅巨星組成。Credit:NASA, ESA, and T. Brown (STScI)

資料來源:中研院天文網[2012.07.17]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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