利用巨型星系团观察早期宇宙面貌 利用巨型星系团观察早期宇宙面貌

来源：CC0 Public Domain

麻省理工学院（MIT）和其他研究所的天文学家，利用一个巨大的星系团作为X射线放大镜，观测到距今近94亿年的宇宙的面貌。在此过程中，他们发现了一个正处于形成恒星的最初的高能阶段的小规模矮星系。

尽管星系团早已经作为透镜在可见光波段来放大观测对象，但这是科学家们第一次利用这些具有巨大引力的庞然大物作杠杆，来放大远距离的极端X射线释放现象。

他们发现的蓝色斑点似乎是一个初生星系，它只有银河系的万分之一大，正在混沌中孕育它的第一代恒星。这些恒星具有超大质量，在宇宙中相对寿命较短，它们释放出高能X射线，这些射线以明亮的蓝色弧线的形式被研究者们探测到。

“这种微小的蓝色斑迹表明这是一个非常小的星系，拥有许多极热的、具有超大质量的刚刚形成的年轻恒星，”一位MIT卡夫利天体物理和空间研究所（Kavli Institute for Astrophysics and Space Research）的研究者Matthew Bayliss说。“这个星系与宇宙中最初形成的星系非常相似……之前没有人通过X射线在遥远的宇宙中观测到这种星系。”

Bayliss说，本次探测到这个远距离的单个星系的成功，证明科学家可以用星系团作为天然的X射线放大器，来筛选出宇宙早期历史中的极端高能现象。

“应用这项技术，我们可以在未来用一种无可替代的方式放大一个遥远的星系，以及其年龄各异的各部分——比如说，星系中某个部分的恒星是2亿年前形成的，而另一部分的恒星是5千万年前形成的，”Bayliss说道，他即将入职辛辛那提大学（University of Cincinnati）担任物理学的助理教授。

他和他的共同作者，包括MIT的物理学助理教授Michael McDonald，在期刊《自然·天文学》上发表了其研究结果。

强光中的一支蜡烛

星系团由数以千计的星系构成，这些星系受到引力作用而聚集在一起，使其成为宇宙中质量最大的物体，具有强大的引力。星系团巨大的质量，强大的引力，使其可以扭曲空间和时间的结构，弯曲宇宙和星系团周围的光线，如同一只大象拉伸、扭曲秋千网。

科学家利用一种被称为引力透镜的技术来将星系团作为宇宙中的放大镜，其原理是在能够估计星系团的质量的情况下，科学家们可以估计星系团对于周围的光线的引力效应，以及其扭曲光线的角度。

例如，设想一个面对星系团的观测者，设法探测一个星系团后的对象，比如单个星系。对象发出的光线会沿直线传播至星系团，并在星系团周围弯曲。尽管被弯曲了一定角度，光线仍会传播至观测者处，并在观测者看来是同一个对象的镜像，这些镜像最终可以被复合为一个单个的，“放大”的图像。

星系团已被用于在可见光波段放大对象，但从未被用于电磁波谱的X射线波段，这主要是由于星系团自身会释放大量的X射线。科学家们曾经认为无法从星系团本身发出的强射线中辨别出任何从背景源传播过来的X射线。

“观察星系团背后的X射线源，如同观察强光源旁边的蜡烛，”Bayliss说，“所以我们知道这是一种有挑战性的观测方式。”

去除X射线

研究人员设想：能否通过消除强光，来看清其背后的蜡烛？换句话说，他们能否除去星系团释放的X射线，来观察在星系团背后并被其放大的，更微弱的X射线源？

研究团队利用了世界上最强大的X射线空间望远镜之一——NASA的钱德拉X射线天文台--的观测结果，来检验他们的设想。他们着重检测了钱德拉望远镜对距地球57亿光年的凤凰星系团的观测结果。据估计该星系团的质量大约为太阳质量的一千兆倍，其引力效应使其成为一个强大的天然放大镜。

“我们选择了手头最好的X射线望远镜—钱德拉天文台—并且使用一个天然的透镜来放大对象，这样可以使钱德拉天文台的能力更强大，所以能够看到更为遥远的对象，”Bayliss说。

Bayliss和同事分析了钱德拉天文台对凤凰星系团持续超过一个月的观测结果。他们也分析了分别由哈勃空间望远镜和智利的麦哲伦天文望远镜的可见光波段和红外波段的图像。通过这些多波段的观测，该团队开发出一种模型来刻画星系团的光学效应，这使得他们能够精准的测量由星系团本身释放的X射线，并将其从数据中去除。

他们最终需要分析星系团周围的两种相似的X射线释放模式，他们认为这两种模式是“透过透镜的”，或者说被引力弯曲的。当他们追溯由过去释放的X射线时，他们发现这些射线来自一个单一的、遥远的释放源：一个距今94亿年的矮星系，当时宇宙的年龄大约为44亿岁—大约为现在年龄的三分之一。

“在此之前，钱德拉天文台在这个尺度上只能观测到少数对象”，Bayliss说，“而我们用了不到十分之一的时间就观测到这个几乎同样远的对象。引力透镜效应是研究得以成功的原因。”

钱德拉望远镜和凤凰星系团的天然透镜效应的结合使得研究团队可以观测到星系团背后的小星系，并将其放大了大约60倍。在此分辨率下，他们能够放大并得以分辨出星系中两个不同的簇，其中一个释放了比另一个多得多的X射线。

因为X射线一般在短期的极端现象中被释放，研究人员认为释放X射线较多的簇是星系中刚刚形成超大质量恒星的部分，而较为平静的部分则是具有更加成熟恒星的年龄较大的区域。

“我们获得了该星系在非常有用的阶段的观测结果，在这个阶段它拥有非常年轻的恒星，”Bayliss说，“任何一个星系都从这一阶段成长而来，但在我们邻近的宇宙中，并没有观测到很多这样的星系。现在我们可以追溯到过去，观察宇宙中极远的部分，并且开始着手研究在那里恒星的形成有何不同。”

本文来源于：中国数字科技馆（授权转载）