清华大学领衔揭示早期宇宙星际间重元素起源之谜

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清华大学领衔揭示早期宇宙星际间重元素起源之谜

清华大学天文系通过毫米波阵列观测发现,宇宙早期星际间中的重元素,可能起源于一亿个太阳光度的巨大星系的反馈作用,这一发现挑战了国际上现有的星系形成理论。


星际间介质中的重元素存在之谜

在宇宙中,绝大部分物质不在星系里,而在星系之间。这部分弥散在星系之间广袤空间里的物质,被称为星际间介质。在宇宙大爆炸之后不久,宇宙中只存在大量的氢、氦和少量的锂,而没有更重的元素(例如,碳,氮,氧等元素)。但是天文学家们从距离大爆炸仅9亿年的宇宙中,确认了星际间已经存在较重的元素。在观测宇宙学中,一个关键的问题,就是如何理解早期宇宙中的重元素从何而来,以及它们又是如何到达星际间的。


利用世界最强大的毫米波阵列,探索宇宙重元素存在之谜

现代宇宙学理论指出,星际间的重元素主要起源于小质量星系的恒星星风或黑洞的反馈作用。这些理论预言,小质量星系活动是宇宙重元素起源的原因。 来自清华大学蔡峥教授所领导的一个项目,利用国际上最大的射电望远镜,位于智利北部的阿卡塔玛沙漠中的ALMA毫米波阵列,对“宇宙早期重元素起源”这一问题进行了研究。清华大学利用ALMA对准了位于宇宙早期,宇宙学红移为6.04处的类星体 J2054-0005光谱中的一个氧吸收体(距今125亿光年)。在进行了仔细地数据分析和处理后,团队发现一个候选星系,此候选星系与氧吸收体的距离约6万光年。这个星系的光度达到了太阳光度的1亿倍,该星系暗物质晕总质量达到4千亿个太阳质量。进一步,团队将这个星系与国际上流行的宇宙学数值模拟理论进行了对比,令人吃惊的是,这次所发现的星系,要比理论预言的重1-2个数量级。这一观测清晰地表明,大质量星系的活动对早期宇宙的元素增丰可能比之前理论预言得重要得多。该文结果为宇宙早期重元素起源之谜提供了新的见解,为理论提供了全新的观测挑战。


相关研究成果于9月28日凌晨在线发表于《自然-天文》。该工作得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、清华大学实验室处、科研院等的支持。清华大学蔡峥教授为项目PI,文章通讯作者;博士生吴昀荆为论文第一作者。合作单位包括德国马克斯-普朗克研究所、美国国家射电天文台、美国新墨西哥州立大学、北京大学科维理天文与天体物理研究所、美国亚利桑那大学、德国莱布尼茨波茨坦天体物理学研究所、美国加州大学圣芭芭拉分校,以及中国科学技术大学。


文章链接:https://www.nature.com/articles/s41550-021-01471-4