打破迄今最遠星系的記錄

2012/11/18 |

專欄

| 標籤：

結合哈柏太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）和史匹哲太空望遠鏡（Spitzer Space Telescope）資料後，天文學家利用天然的「太空放大鏡」發現一個新星系，距離超過現在已知的任何星系，距離地球約133億光年，相當於為在大霹靂後僅約4億2000萬年左右的時期中誕生，締造一個最遠星系新記錄，也提供天文學家一個窺視宇宙幼年期的機會。

太空望遠鏡科學研究所（Space Telescope Science Institute）Marc Postman領導的哈柏星系團重力透鏡與超新星巡天計畫（Cluster Lensing And Supernova Survey with Hubble，CLASH），經由星系團龐大質量所產生的重力場，讓星系團背後遙遠的星系被這個天然放大鏡偏折而聚光，這才讓這個遙遠而黯淡的背景星系亮到足以偵測到的地步。這就是所謂的重力透鏡（ gravitational lensing）效應，是天然的太空放大鏡。

這個締造新記錄的最遠星系編號為MACS0647-JD，由於非常遙遠，而且遠比銀河系小得多，因此在觀測影像中看起只是一個黯淡的光點，好在有MACS J0647+7015星系團的重力透鏡效應幫忙，在MACS J0647+7015周圍形成數道光弧，Postman等人才能發覺它的存在。星系團MACS J0647+7015距離地球約80億光年，其龐大質量所產生的重力效應，讓背景星系MACS0647-JD的光弧比原本的亮度分別增加了8倍、7倍和2倍之多。

位在宇宙幼年期的MACS0647-JD星系是個所謂的矮星系，直徑不到600光年。天文學家先前曾針對近一點的星系所做的觀測分析，一般典型的星系在與MACS0647-JD相同年齡時，直徑一般在2,000光年左右。拿銀河系衛星星系之一的大麥哲倫星系（Large Magellanic Cloud）來比較，這個矮星系的直徑也有14,000光年之多；更遑論我們銀河系多達約150,000光年直徑的大小。由此可見，MACS0647-JD真的是個非常小的星系；Postman等人認為，MACS0647-JD很可能就是建造現代星系的基石，經由數十、數百甚至數千次這些小星系的合併，最終才能成就出像銀河系這樣的大型星系。

這個巡天計畫，是利用哈柏3號廣角行星相機（Wide Field Camera 3，WFC3），配合從近紫外到近紅外的17個濾鏡進行觀測。團隊成員之一的Dan Coe於2012年2月在彙整哈柏CLASH巡天觀測17個星系團所得的數千個重力透鏡天體星表時，注意到僅有其中2個最紅的濾鏡出現MACS0647-JD，這意味這個天體很「紅」，代表要不是它所發出的光只落在紅外波段，即所謂的「紅色天體（red object）」，那麼就是個極遙遠的天體，以致於它因宇宙膨脹導致紅位移到波長極長的波段中。

從CLASH觀測，在MACS J0647+7015星系團周圍，總共偵測到8個被MACS J0647+7015星系團重力透鏡聚光的遙遠背景星系。從這些遙遠星系的光弧的亮度和位置，研究人員可藉此重建MACS J0647+7015星系團的質量分佈圖；MACS J0647+7015星系團的質量絕大部分是本質未知的暗物質（dark matter）；暗物質雖不可見，但仍能從它與一般物質之間的重力交互作用而得知它們的存在。

分析結果顯示：這個星系團的質量分佈狀況，讓MACS0647-JD在MACS J0647+7015星系團周圍總共產生三道重力透鏡影像，經過數個月的系統性分析處理，排除其他可以解釋這個天體的可能成因，例如紅色恆星、棕矮星或紅色星系（red galaxies，比較古老或含塵量較多的星系）等，最終才能確認MACS0647-JD是個非常遙遠的星系，紅移值（redshift）高達11，是迄今為止觀測到紅移值最高的。

受到宇宙膨脹而使原本發出的紫外光被紅移到紅外波段，因此這些研究學者決定利用在紅外波段相當靈敏的史匹哲太空望遠鏡來做後續觀測。如果這個天體本質就是紅色天體，發出的光本來就集中在紅外波段，那麼它在史匹哲的影像中應該會相當明亮；相對地，如果這個天體在紅外波段也是勉強能偵測到，顯示它是個非常遙遠的天體。這些研究學者計畫利用史匹哲進行更深入的觀測，希冀能藉此估計出這個星系的的年齡和含塵量。

然而，MACS0647-JD星系可能太遠，遠到現今世上沒有任何望遠鏡和儀器能確認其距離。Coe等人是根據這個遙遠星系的獨特顏色和以前的研究所知，以外差方式估算出MACS0647-JD星系的大概距離，且哈柏影像中的3個重力透鏡影像都符合這個距離估算。

MACS0647-JD這個最遠星系新冠軍，是CLASH巡天計畫發現的第2個遙遠星系；CLASH巡天計畫在今年初時，發現一個約在大霹靂後4億9000萬年的遙遠星系，盤據了最遠星系冠軍位置之後，終被僅早它7000萬年的MACS0647-JD星系給踢下冠軍寶座。CLASH巡天計畫預定要觀測25個大質量星系團，目前已完成其中20個星系團的觀測工作。這個研究團隊預期未來還會在宇宙幼年期裡發現更多矮星系；如果在宇宙幼年期裡，矮星系數量繁多，那麼它們很可能就是讓氫霧被再游離（re-ionization），使宇宙變得透明的功臣。

資料來源：NASA Observatories Find Most Distant Galaxy Candidate. NASA [November 15, 2012]

轉載自網路天文館