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從GRB事件發現宇宙早期的星系居然含有豐富重元素

一組跨國研究小組利用歐南天文台(ESO)超大望遠鏡(Very Large Telescope,VLT)觀測距離非常遙遠、非常明亮的伽瑪射線爆發(gamma-ray burst,GRB)事件,結果發現居然是兩個含有豐富重元素的星系。天文學家認為位在宇宙非常年輕時期中的這兩個星系可能正處在合併過程中,造成大量新恆星誕生,或許也因此引發了伽瑪射線爆發。

GRB是宇宙中最明亮的爆發事件。最早是由在地球上空環繞的觀測衛星偵測到這些強烈而短暫的爆發事件。在其位置定出後,天文學家會立即用地面大型望遠鏡,以可見光波段和紅外波段追蹤觀測爆發後數小時到數日的餘暉變化情形。其中一個GRB,編號為GRB 090323,最初由NASA的費米伽瑪射線太空望遠鏡(Fermi Gamma-ray Space Telescope)在2009年3月23日偵測到,之後天文學家迅及用史威福X射線觀測衛星(Swift)和位在智利的2.2米MPF/ESO望遠鏡的GOUND系統及VLT望遠鏡研究爆發後一天的細節。

VLT觀測資料顯示:伽瑪射線爆發的明亮光輝,已經向外通過它的宿主星系,甚至是鄰近的另一個星系。這些星系位在120億年前的年輕宇宙時期中(紅移值z=3.57),通常天文學家很少在這麼遙遠的星系中捕捉到GRB的光輝。當GRB爆發的光穿越這些星系時,星系中的低溫氣體會類似濾鏡一樣,吸收一部份特定波長的GRB光;如果沒有發生GRB,那麼這些星系將會因距離太過遙遠而暗到無法偵測。小心分析星系光譜中的各譜線特徵後,這些研究人員便可得知這些遙遠星系中到底含有什麼化學元素、含量各為多少等。

德國普朗克地外物理研究所(Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics)Sandra Savaglio表示:當他們研究這個GRB事件時,並不知道會發現什麼,但是當他們看到這兩個星系中富含重元素的低溫氣體居然這麼多時,都相當驚訝,因為畢竟這兩個星系位在宇宙非常早期、幾乎都是氫與氦等輕元素的天下,這兩個星系富含重元素的特性因而顯得相當突兀。

宇宙中氫與氦以外的其他元素,幾乎都是經由恆星演化與超新星爆炸等過程產生的,所以必須經過長時間累積,星系中的重元素才能達到一定濃度。換言之,通常含有比較多重元素的星系,都是比較「成熟」的,因此天文學家通常會利用星系中的元素豐度來當作星系演化到什麼程度的指標。但這兩個星系是位在大霹靂後20億年的年輕宇宙時期,星系中的重元素卻已經非常多,天文學家以前從未想過會碰到這樣的狀況。

Savaglio等人認為:這對年輕星系應該處在新恆星誕生非常劇烈的狀態下,所以低溫氣體才會增加得這麼多、這麼快。此外,由於這對星系距離很近,因此他們應該正在合併中,星系裡的氣體雲團互相碰撞,激發新恆星大量誕生。而這個觀測結果,也支持GRB與恆星劇烈誕生過程互有相關的想法。

在宇宙非常早期歷史中,像這樣的恆星劇烈誕生現象應該比比皆是,但如今已經鮮少見到。在120億年之後的現在,這些曾經歷劇烈恆星誕生的星系們,應該會含有為數眾多的恆星殘骸,例如黑洞或是低溫矮星等,構成非常難以偵測到的「死寂星系(dead galaxies)」,只殘留能證明它們年輕時曾有多輝煌燦爛的餘燼。

天文學家目前將持續時間2秒以上的GRB稱為「長爆發(long burst)」,2秒以下者稱為「短爆發(short burst)」。包含本次研究在內的GRB 090323的長爆發,一般認為與正在形成新恆星的星系中,大質量年輕恆星所引發的劇烈超新星爆發有關。而短爆發的發生原因不明,不過一般猜測可能與2個緻密天體(如中子星等)的合併有關。

要在現今宇宙發現這類死寂星系,可是個大挑戰。而GRB延續時間在2秒以上者就已經算比較長的了,故要在這麼短的時間內捕捉到品質很好的觀測資料,又更困難。所以囉,Savaglio等人能通過GRB 090323發現這些還處在很明亮時期的這類星系,並進而通過它們瞭解一部份宇宙演化史,連他們自己都覺得是非常幸運的事。

資料來源:VLT Observations of Gamma-ray Burst Reveal Surprising Ingredients of Early Galaxies[2011.11.02]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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