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銀河系如何殘害它的衛星星系們?

來自法國斯特拉斯堡天文台(Observatoire Astronomique de Strasbourg)、「宇宙黑暗時期之光(Light in the Dark Ages of the Universe,LIDAU)」計畫的2名研究人員Pierre Ocvirk和Dominique Aubert,首度發現第一代恆星在銀河系中誕生的新線索。距今120億年前,第一代恆星所發出的強烈紫外輻射驅散了銀河系衛星星系中的氣體,讓它們沒辦法再繼續大量誕生新恆星,扼殺它們的燦爛未來,被迫成為黯淡無光的銀河系同伴。

宇宙中的第一代恆星約在大霹靂後約1億5000萬年左右出現。回到當時,宇宙中到處充斥的氫和氦,已經降溫到足以讓原子核和電子結合成為電中性的氫原子與氦原子。但當第一代恆星出現後,它們所發出的強烈紫外輻射(UV)再度讓中性氫原子和氦原子被游離而成為所謂的「電漿態(plasma state)」。這個稱為「再游離」的過程不僅明顯的加熱氣體,而且讓氣體溫度高到足以逃脫低質量星系的微弱重力場,原本不多的恆星材料也在這樣的過程中被趕跑了,讓這些低質量星系雪上加霜,恆星形成的工作從此一蹶不振。但是UV加熱的結果,也讓這些星系在UV波段相當敏感而容易觀察。

目前普遍接受這個過程可以解釋銀河系最暗的矮衛星星系中的恆星數量這麼少但年齡通常很老的現象,也能解釋為何銀河系周圍的衛星星系數量遠少於預期,即所謂的「遺失的衛星星系(missing satellites problem)」問題。這個問題約在10年前被提出,經標準宇宙論模型的數值模擬結果,銀河系應有多達500個衛星星系,但當時卻僅發現10個衛星星系,直到今日已發現的總數也不過21個而已,差距之大,讓天文學家百思莫解。要不是標準宇宙論模型錯了、根本沒這麼多星系,就是這些星系的確存在、但因某些未知因素而偵測不到。右上圖是目前已知的21個衛星星系之一的牧夫II矮星系(Bootes II)。

衛星星系通常很靠近銀河系,距離約30,000到900,000光年不等,以天文尺度而言算是很近的了,讓天文學家可以仔細研究這些星系;未來下一代更大的望遠鏡建置完成後,可見細節必定更多。比較每個衛星星系中的星族與衛星星系所在位置之間的關連性,讓Ocvirk等人能以獨特的觀點來瞭解銀河系中最老恆星們所發出的輻射的影響。

不同理論模型中,隨離銀心距離的UV輻射變化情形。Credit: P. Ocvirk  到目前為止,關於此過程的理論模型大都假設衛星星系中的氣體流失是所有鄰近的大型星系幹的好事,所以背景UV輻射應該相當均勻(左圖紅線)。而Ocvirk等人的新模型證明這個假設是錯誤的。由於Ocvirk等人將不可見的暗物質加入數值計算中,這些暗物質大都集中在銀河系盤面上下與周圍的廣大空間中,他們模擬被困在暗物質暈中的氣體,看看這些氣體對UV輻射如何反應。

與先前其他模擬相反的是:所產生的UV輻射場並不均勻,離銀河中心愈遠、UV輻射愈弱(左圖藍線);如此一來,愈靠近銀河中心的衛星星系,其中的氣體逃逸得愈快,所以星系中的恆星少到難以用現代望遠鏡偵測到。同時,愈遠的衛星星系所受到的UV輻射愈弱,能保有氣體的時間愈久,也就能形成愈多的恆星,所以比較容易偵測到,看起來比較普遍。

這些模擬結果與目前觀測結果(左圖黑線)相當接近,顯示銀河系的第一代恆星是讓衛星星系中氣體受到光蒸發(photo-evaporation)的主角,換言之,衛星星系的殺手是銀河系本身,而非先前錯怪的鄰近大型星系。

資料來源:How the Milky Way killed off its satellites

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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