大爆炸後不到 10 億年,再發現充滿塵埃的星系系統

科技新報 更新於 2019年12月13日18:24 • 發布於 2019年12月13日16:51

瀰塵恆星形成星系是宇宙最強大的恆星托兒所,含有大量氣體塵埃,以每年高達數千個太陽質量的速率形成新生恆星,而天文學家認為這種星系應該不會出現在宇宙早期。然而 ALMA 這陣子便陸續找到了幾個,且時間點都落在大爆炸後 10 億年內。

瀰塵恆星形成星系(Dusty star-forming galaxy,DSFG)是正在經歷高速率恆星形成過程的星暴星系,其恆星形成率(star-formation rate,SFR,註)高達每年數千個太陽質量,相比之下,如今銀河系的恆星形成率僅約每年 3 個太陽質量物質。

天文學家相信瀰塵恆星形成星系在宇宙演化中扮演著重要角色,但想找到它們說起來容易做起來難,目前已知的瀰塵恆星形成星系非常稀少,因為星系內的恆星光芒通常都被掩埋在大量雲塵之下。

2018 年時,阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(ALMA)發現了 SPT0311-58 瀰塵星系系統,離大爆炸僅 7.8 億年,由一大一小星系組成,較大的一個以每年 2,900 個太陽質量的速率形成恆星,包含 2,700 億倍太陽質量的氣體、30 億倍太陽質量的塵埃。

而今年,ALMA 再度發現一個離大爆炸僅 9.7 億年的瀰塵星系系統,稱為「MM J100026.36 + 021527.9(簡稱 MAMBO-9)」,同樣由兩個彼此相距 19,600 光年的星系(MAMBO-9-A 及 MAMBO-9-B)構成,兩者未來可能合併。

▲ MAMBO-9 系統在無線電波波段下的圖像。

新研究作者之一 Manuel Aravena 表示,其實在 10 年前,科學家就曾利用 IRAM 30 米望遠鏡和 Plateau de Bure 干涉儀檢測到 MAMBO-9 星系發出的光,只是當時觀測儀器不夠敏感,無法揭露星系與我們的距離,加上其他望遠鏡找不到這道光源,以至於研究人員懷疑 MAMBO-9 星系是否真實。

現在歸功於 ALMA 的高解析度,天文學家首次在未借助重力透鏡作用的情況下直接發現極遙遠星系,這代表 MAMBO-9 系統的光線未被中途的重力場扭曲,天文學家可以獲得更多清晰細節。

數據顯示 MAMBO-9 系統總質量非常驚人,高達 3.3 兆倍太陽質量,其中恆星質量約 32 億倍太陽質量,塵埃質量約 13 億倍太陽質量,氣體(分子雲)質量則約 1,700 億倍太陽質量。

一般來說,科學家期待看到恆星質量比塵埃多 100 倍,但該系統的氣體與塵埃總質量又意味著 MAMBO-9 系統尚未形成大部分恆星,加上塵埃通常是垂死恆星留下的副產物,因此科學家必須找出宇宙如何在大爆炸之後不到 10 億年時間內,迅速形成大量塵埃的機制。

新論文發表在《天文物理期刊》(The Astrophysical Journal)。

註:恆星形成率(SFR)是指星系將氣體轉化成恆星的速率。

(圖片來源:美國國家電波天文台

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