分子雲在距離我們：超過80億光年的遙遠星系中都相同嗎？

2020-08-28 科學之美

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星團是由分子雲凝聚而成，分子雲是在每個星系中都發現的大量寒冷緻密氣體。這些雲在銀河系和附近星系中的物理性質早已為人所知。但是它們在距離我們超過80億光年的遙遠星系中都相同嗎？由日內瓦大學(UNIGE)領導的一個國際團隊首次能夠探測到銀河系祖先中的分子雲，這要歸功於在如此遙遠的星系中實現了前所未有的空間解析度。這些發表在《自然天文學》上的觀測結果表明，遠距離的雲比附近星系中的質量更大、密度和內部湍流，而且它們產生的恆星要多得多。

天文學家將這些差異歸因於遙遠星系的周圍星際條件，這些條件太極端，以至於鄰近星系中典型的分子雲無法生存。分子雲由緻密的冷分子氫氣組成，這些氣體以超音速旋轉，產生密度波動，凝聚並形成恆星。在附近的星系，如銀河系，分子雲產生了10+3到10+6顆恆星。然而，在距離我們超過80億光年的遙遠星系中，天文學家已經觀察到了包含100倍以上恆星的巨大星團，為何會有這樣的分別呢？

為了回答這個問題，天文學家能夠利用自然望遠鏡（引力透鏡現象）與ALMA(阿塔卡馬大毫米/亞毫米陣列)相結合。ALMA是一種由50個毫米無線電天線組成的幹涉儀，可以立即重建星系的整個圖像。UNIGE科學系天文學系研究員、該研究的第一作者米羅斯拉瓦·德索格斯(Mirolava Dessauges)解釋道：

引力透鏡是一種自然望遠鏡，當一個巨大的物體在觀察者和遠處物體之間對準時，它會產生放大鏡效應，有了這種效果，遙遠星系的一些部分在天空中伸展開來，以無與倫比的解析度進行研究！同時，ALMA可以用來測量一氧化碳的水平，一氧化碳是構成冷雲的分子氫氣示蹤劑。這一解析度使我們有可能在80億光年外一個綽號為「宇宙蛇」的遙遠星系中，分別描述分子雲的特徵。UNIGE天文學系教授丹尼爾·舍勒(Daniel Schaerer)說：

這是我們第一次能夠確定分子雲彼此之間的位置。因此，天文學家能夠比較近星系和遠星系中分子雲的質量、大小、密度和內部湍流，人們一直認為，所有星系中的雲都具有相同屬性，但觀察證明了相反的情況！這些新觀測結果表明，遙遠星系中的分子雲質量、密度和湍流度是近處星系的10到100倍。這些數值只在附近相互作用星系的雲層中測量過，這些星系具有類似於遙遠星系的星際介質條件。將雲的物理性質差異與星系環境聯繫起來，而星系環境在遙遠的星系中比在較近的星系中更為極端和惡劣。

通常在鄰近星系中發現的分子雲會在遙遠星系的星際介質中瞬間坍塌並被摧毀，因此它的密度和湍流增強保證了生存和平衡。宇宙蛇星雲中分子雲的特徵質量似乎與對湍流星系盤破碎的預測完全一致。因此，這一設想可以作為在遙遠星系中形成大量分子雲的機制提出。研究小組還發現，在宇宙蛇星系中，恆星形成的效率特別高，很可能是由雲層中超音速的內部湍流引發。在鄰近星系中，分子雲質量約佔恆星質量的5%。而遙遠的星系，這個數字攀升到30%。天文學家們現在將研究其他遙遠的星系，以確認對宇宙蛇的觀測結果。

博科園｜研究/來自：日內瓦大學

參考期刊《自然天文學》

DOI: 10.1038/s41550-019-0874-0

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