ALMA发现在暗物质中游泳的大量原始星系

艺术家对非常早的宇宙中的一对星系的印象。

天文学家预计，第一个星系，即在大爆炸之后仅几亿年形成的星系，将与我们在附近的宇宙中看到的一些矮星系有着许多相似之处。这些几十亿颗恒星的早期聚集体将成为更大的星系的基础，这些星系在最初的数十亿年后逐渐占据了整个宇宙。

然而，利用阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列（ALMA）进行的持续观测发现了令人惊讶的例子，这些例子是在宇宙不到十亿年的历史中看到的，充满星团的巨大星系。这表明较小的星系构造块能够很快地组装成大型星系。

ALMA的最新观测结果进一步证实了大规模银河系形成的时代，方法是识别出两个仅在7.8亿年历史或现今年龄的5％时就已看到的巨型星系。ALMA还透露，这些异常大的星系位于一个更大质量的宇宙结构中，这是一个暗物质的晕圈，其质量比太阳大数十万亿倍。

这两个星系非常接近-小于从地球到我们银河中心的距离-不久它们将合并形成宇宙历史上那个时期观察到的最大的星系。这项发现提供了有关大型星系出现以及暗物质在组装宇宙中最庞大的结构中所起的作用的新细节。

为了校正引力透镜作用在这些星系中的影响，将ALMA数据（左图）与透镜畸变的模型图像（左图第二幅）进行了比较。差异显示在左侧第三个面板中。除去镜头效果后，银河的结构如右图所示。该图像在银河系中的不同速度范围之间循环，由于多普勒效应，这些速度范围在ALMA出现的频率不同。

研究人员在《自然》杂志上报告了他们的发现。

“凭借这些对ALMA的精妙观察，天文学家看到了在组装过程中宇宙出现的前十亿年中已知的最庞大的星系，”亚利桑那大学图森分校的天文学副教授Dan Marrone说。纸。

天文学家们在一段称为“电离时代”的宇宙历史时期看到了这些星系，当时大部分星际空间都充满了模糊的冷氢气雾。随着更多恒星和星系的形成，它们的能量最终使银河系之间的氢离子化，从而揭示了我们今天所看到的宇宙。

“我们通常认为，小星系正在努力在中性星系间介质中咀嚼，”马罗纳说。“然而，利用ALMA收集观测证据有助于重塑该故事，并继续推迟真正大规模星系首次出现在宇宙中的时间。”

Marrone及其团队研究的星系，统称为SPT0311-58，最初被南极望远镜识别为单一来源。这些最初的观察表明，该物体很远并且在红外光下明亮地发光，这意味着它非常尘土飞扬，很可能经历了恒星形成的爆发。随后对ALMA的观测揭示了物体的距离和双重性质，清楚地解决了这对相互作用的星系。

为了进行观察，ALMA从重力透镜获得了一些帮助，这为望远镜提供了观测的动力。当诸如星系或星系团之类的中间大物体弯曲来自较远星系的光时，就会形成引力透镜。但是，它们的确会使所研究对象的外观失真，因此需要复杂的计算机模型来重建图像，因为图像将以未改变的状态出现。

这种“去透镜”过程提供了有关银河系的有趣细节，表明这两个星系中的较大者正在以每年2,900太阳质量的速度形成恒星。它在气体中的含量约为我们太阳的2700亿倍，在粉尘中的含量约为我们的30亿倍。贾斯汀·斯皮克（Justin Spilker）说：“考虑到系统的年轻时代，这真是一大堆灰尘。”贾斯汀·斯皮克（Justin Spilker）说，他现在是德克萨斯大学奥斯汀分校的博士后。

天文学家认为，这个星系的快速恒星形成可能是由与它稍稍较小的同伴的近距离接触触发的。该同伴已经拥有约350亿个太阳质量的恒星，并且正以每年540个太阳质量的惊人速度增加其星爆率。

显示SPT0311-58两个星系的ALMA数据（红色）的合成图像。这些星系显示在哈勃太空望远镜的背景上（蓝色和绿色）。ALMA数据显示了两个星系的尘埃辉光。重力透镜使右侧银河系的图像失真。较近的前景镜头星系是ALMA成像的两个星系之间的绿色物体。

研究人员指出，这个时代的星系比我们在附近宇宙中看到的星系更“混乱”。他们的形状更加混乱，是由于大量的天然气正倾泻而下，以及他们与邻居的持续互动和合并。

新的观测结果还使研究人员可以推断出两个星系周围都存在着巨大的暗物质晕。暗物质提供引力，使宇宙坍塌成结构（星系，星系群和星团等）。

中心副研究员克里斯·海沃德（Chris Hayward）表示：“如果您想了解星系在我们目前对宇宙学的理解中是否有意义，那么您需要查看它所处的暗物质晕—坍塌的暗物质结构”。纽约市熨斗研究所的计算天体物理学专业。“幸运的是，我们非常了解宇宙中暗物质与正常物质之间的比率，因此我们可以估算出暗物质晕质量必须是多少。”

通过将他们的计算结果与当前的宇宙学预测进行比较，研究人员发现，这种晕圈是当时应存在的最庞大的晕圈之一。

伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的Joaquin Vieira说：“我们正在跟进南极望远镜发现的更多星系，而且还有很多调查数据正在开始分析。我们的希望是找到更多这样的物体，甚至可能是距离更远的物体，以更好地了解这个尘土飞扬的极端星系种群，尤其是在这个时期它们与星系的总体种群之间的关系。”

“无论如何，我们对ALMA的下一轮观测应有助于我们理解这些星系聚集在一起的速度，并增进我们对电离过程中大规模星系形成的理解，” Marrone补充说。

出版物：D. P. Marrone等人，“在宇宙历史的前十亿年中，银河系在巨大的光环中增长”，《自然》，2017年； doi：10.1038 / nature24629