重力透鏡效應揭示了 一個星系 在大爆炸後僅8億年的景象

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重力透鏡效應揭示了 一個星系 在大爆炸後僅8億年的景象


幾十年來，天文學家一直試圖透過 美國 哈伯等望遠鏡（Hubble Space Telescope，簡稱HST） 一窺宇宙早期，
也就是 宇宙 第一代恆星誕生的時代。

然而，構成我們今天所知宇宙基石的那些小型星系，即使是最強大的儀器也難以觀測到，因為它們太暗淡了。

如今，天文學家似乎終於有了兩大優勢：美國 韋伯太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）和一點運氣。

在最近發表於《自然》雜誌的一篇論文中，由日本 金澤大學（Kanazawa University）天文學家 中島公彥
（Kimihiko Nakajima）領導的科學家團隊，利用 美國 詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 觀測到了一個名為
LAP1-B的超暗星系，它存在於 大爆炸（Big Bang）後約8億年（800 million years）。

這是我們迄今為止觀測到的化學成分最原始的星系。  LAP1-B 距離地球 130億光年（13 billion light-years）。

即使是詹姆斯韋伯太空望遠鏡（JWST）巨大的鍍金鈹鏡，也難以單獨觀測到如此暗淡遙遠的天體。

我們之所以能夠發現它，是因為一個名為 MACS J046的龐大星系團，它扭曲了我們與LAP1-B之間的時空。

「星系透過重力透鏡效應被強烈放大，」中島說。具體來說，MACS J046星系團扭曲的時空將來自LAP1-B的
光線放大了約100倍。

但即便亮度提升了100倍，LAP1-B仍然非常暗淡，以至於 JWST 和 哈伯望遠鏡都無法探測到它的恆星連續光譜——即其
恆星穩定的背景光。然而，對於中島公彥 和他的同事來說，即使是這一點也成為了一條線索。

他們根據我們與LAP1-B之間的距離以及望遠鏡的靈敏度，計算出LAP1-B恆星質量的上限值約為3300個太陽質量。

與 銀河系（Milky Way）中大約 1,000億個太陽質量的恆星相比，這是一個微不足道的數字。

照射到 JWST鏡面上的 LAP1-B的大部分光線並非來自恆星，而是來自發光氣體。透過對這些氣體的仔細研究，
中島和他的同事意識到，LAP1-B是我們迄今為止觀測到的 最接近 原始星系的星系。

根據中島（Nakajima）團隊的說法，我們之所以能看到 LAB1-B的光芒，是因為星系內大質量恆星發出的高能量輻射照射
到周圍的星際氣體雲，使其發出螢光。研究人員利用 詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）的近紅外光譜儀，將這種發光氣體
的光線分解成光譜，並尋找能夠指示其化學成分的特徵發射線，從而分析了這種發光氣體。

中島公彥（Kimihiko Nakajima）說「我們想測量這個天體中氧的含量。」

分析結果顯示，該天體中比 氫（hydrogen）和 氦重（helium）的元素含量嚴重不足。氣（oxygen）相氧氫
比僅為太陽的0.4%。

光譜中的另一個細節顯示了使氣體發光的輻射類型。研究團隊偵測到了三電離碳的發射線——三電離碳是指碳原子失去了
六個電子中的一半。從碳原子中剝離多個電子需要極紫外光子，其能量超過 47.9 電子伏特。

即使是我們 銀河系 附近觀測到的那些大質量恆星，其溫度也不足以產生如此強烈的輻射。

中島的團隊認為，能夠達到如此高溫的恆星，是宇宙中最早誕生的恆星。它們完全由大爆炸中形成的氫和氦構成，缺乏重元素來
幫助它們在形成過程中冷卻。 「這類恆星應該是由原始氣體形成的，」中島說。

我們今天觀測到的恆星，包括太陽，都是第一星族恆星。

位於銀河系暈中的較老一代恆星是第二星族恆星，它們的重元素含量遠低於第一星族恆星。

第三星恆星是宇宙中最早出現的恆星，據推測，它們是質量是太陽數百倍的劇烈恆星，卻被壓縮到極小的體積內。
它們燃燒時溫度極高，並在超新星爆發中迅速消亡。

中島公彥（Kimihiko Nakajima）的團隊很可能在LAP1-B中發現了這些爆炸的痕跡。

儘管LAP1-B的重元素含量極低，但它的碳含量卻異常高；它的碳氧比甚至高於太陽。研究人員認為，答案可能在於
這些巨大的第一代恆星是如何死亡的。

根據我們的模型，當一顆質量龐大的第三星族恆星走到生命盡頭時，其核心會坍縮成黑洞，但由此產生的超新星爆發能量
不足以將整顆恆星徹底摧毀。 「它們的引力束縛能比一般的大質量恆星強，」中島說。

相反，坍縮最終會引發一次暗淡的超新星爆發，並伴隨著顯著的物質回落。

恆星核心中較重的元素，例如氧，會被吸回事件視界之外，並被困在下方的黑洞中。同時，富含碳的較輕外層則會逃逸，
並被拋射到周圍的氣體中。 LAP1-B的化學成分——低氧高碳——看起來像是第三星族恆星超新星爆發產生的氣體雲的特徵。

但LAP1-B的氣體中還隱藏著另一個線索，而這與它的速度息息相關。

透過觀察光譜中發射線因 "多普勒效應 / Doppler effect" 而發生的展寬，中島和他的同事測量出星系內部氣體以
大約58公里/秒的速度旋轉，這對矮星係來說是一個相當典型的數值。

利用萬有引力定律，研究團隊計算出需要多少質量才能讓氣體以這樣的速度移動而不至於飛入星系際空間。
「我們估計物質的質量約為1000萬個太陽質量，」中島說。

由於恆星的質量不到 3,300個太陽質量，而氣體的質量只略微超過這個值，研究團隊得出結論，星系的其餘部分必定
是由暗物質構成的。

LAP1-B 似乎主要由一個巨大的暗物質暈組成。

研究人員推測，正是這種看不見的支架結構使得星係得以形成，暗物質的引力將形成第一批恆星所需的原氣體吸引過來。

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蠻酷的, 透過星系團的重力透鏡效應將遠方的光線放大百倍