ALMA重写宇宙中婴儿恒星潮的历史

借助阿塔卡玛大型毫米/亚毫米射电阵列（ALMA），天文学家发现宇宙中最大规模的恒星诞生潮的出现时间，远远早于此前的估计。研究报告将刊登在2013.3.14出版的《自然》杂志上，并同步发表在《天体物理学》期刊上。该研究成果是于今天正式落成的国际ALMA天文台的最新的发现案例。

ALMA获得的被引力透镜放大的遥远星系像，大图下载：1.8MB，版权：ESO，ALMA，J. Vieira团队。

最强烈的恒星爆发式诞生（专业名词为星暴——译注）事件应该发生在早期宇宙中的大质量明亮星系中。这些星暴星系储存着巨量的气体和尘埃，以极为激烈的速度形成恒星——比我们银河系这样的旋涡星系快数百倍。通过观测极遥远的星系——它们发出的光抵达地球需要百亿年以上，天文学家能够看到年轻宇宙的活跃时期。

研究团队领队、研究报告首席作者、美国加州理工学院的华金?维埃拉（Joaquin Vieira）介绍道：“星系距离越远，它就越是古老。因此通过测量星系的距离，我们能够拼凑出宇宙137亿年历史中形成恒星的活跃程度的时间线。”

国际研究团队最初用美国国家科学基金会（NSF）的10米口径的南极望远镜（SPT）发现这些遥远的神秘的星暴星系，然后借助ALMA聚焦于早期宇宙的幼齿恒星潮。他们惊讶地发现这些满是尘埃云的星暴星系比预期的更为遥远。这意味着平均而言，星暴发生在120亿年前，当时的宇宙还不足20亿岁，比此前预期的早了足足10亿年。

PDF插图，显示ALMA在3mm波段获得的26个极遥远星系的光谱。

其中的两个星暴星系是此类星系中最远的——它们的光出发时，宇宙仅有10亿岁。更重要的是，在其中一个破纪录的星系中还发现了水分子的光谱，成为迄今公布的数据中，最远的水分子观测纪录。

借助ALMA无与伦比的灵敏度，团队在3毫米波段附近接收到26个此类星系的光谱。星系中的各种分子能产生特定波长的光谱，当它们经过数十亿年到达地球时，光波因宇宙膨胀而被大大拉伸。通过测量比对各种波长，天文学家能够确定光旅行了多长时间，并把它们各自归入宇宙历史的合适时间段。

德国波恩马克斯-普朗克射电天文研究院的阿克塞尔?维斯（Axel Weiss）负责团队中测量星系距离工作，他解释说：“ALMA的高灵敏度和宽广的波长范围意味着我们仅需几分钟就能测量一个星系的光谱——几乎是以前速率的100倍。”

大部分情况下，ALMA独自就能完成距离的测量；但个别星系的距离，团队还比较了其他望远镜的数据，其中包括欧洲南方天文台（ESO）的甚大望远镜（VLT）和阿塔卡玛探索性实验射电望远镜（APEX）（注1）。

天文学家只使用了ALMA中的16部天线进行研究，共包含66部天线的整个ALMA系统还在建设中，当位于智利北部安第斯山脉中5000米海拔的查南托高原上的ALMA系统完全建成时，它将拥有更高的灵敏度，发现更暗的星系。目前，天文学家的目标先指向较亮的那些，他们借助大自然的帮助——星系团的引力透镜效应：当极遥远星系的光经过相对较近的巨大星系团时，会因引力弯曲而汇聚变亮。

引力透镜效应演示图，版权：ESO。

为了精确了解引力透镜使星系变亮多少倍，团队用ALMA在0.9毫米附近波段绘制了更精确的星系图像。

来自加拿大蒙特利尔市麦吉尔大学的Yashar Hezaveh负责引力透镜研究，他解释说：“ALMA获得的这些美丽图像显示，背景星系的光被前景星系弯曲陈多个弧——学名爱因斯坦环。我们借助星系团包含的大量暗物质，作为宇宙望远镜使遥远的星系变得又亮又大。”

通过对这些变形弧的分析表明，某些遥远星暴星系的亮度竞高达40万亿个太阳，这其中引力透镜的放大效应达22倍。

团队成员、ESO的Carlos De Breuck继续解说：“此前毫米波段发现的引力透镜星系寥寥可数，而现在SPT和ALMA开始成打地发现它们。这类科学观测以前主要由哈勃太空望远镜在光学波段实施，但现在ALMA也将成为一个极有力的参与者。”

PDF插图，ALMA与哈勃观测的对比，黑白图像是哈勃的WFC3获得的。

团队成员、美国亚利桑那大学的Daniel Marrone总结说：“这是一个借助最先进的科学设施，全球天文学家协同作出惊人发现的极好样本。此发现仅是ALMA的牛刀小试和研究此类星暴星系的开始，下一步是详细研究这些天体，并精确算出它们是如何以如此高的速率形成恒星的。”

J. Vieira团队的研究报告刊登在《自然》上，标题：“通过引力透镜发现早期宇宙中满是尘埃的星暴星系”，另两篇研究报告都发表在《天体物理学》期刊上，它们是A. Weiss 团队测量距离的：“ALMA从SPT 巡天中挑选毫米波段的星系：充满尘埃的星暴星系的红移分布”；以及Y. Hezaveh团队的关于引力透镜效应研究的 “ALMA观测强引力透镜效应下的充满尘埃的星暴星系”。

注 1、进行附加观测的望远镜有：APEX、VLT，及澳大利亚紧密射电阵列（ATCA）、毫米波射电阵列（SMA）等。