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宇宙学

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普朗克天文学家说,第一批恒星和星系没有我们想象的那么古老

06 Sep 2016
很久以前:大爆炸后7亿年,艺术家对宇宙的印象

大爆炸之后,宇宙的黑暗时代已经接近7亿年,比以前的测量结果晚了1.5亿年。这是根据分析了欧洲航天局数据的天文学家得出的结论’s 普朗克飞船。该研究提供了有关早期宇宙中第一批恒星和星系何时形成的重要信息。

宇宙历史的前十亿年笼罩在神秘之中。当第一批恒星和星系发出的紫外线将充满整个宇宙的中性氢气的雾离子化时,这种裹尸布开始升起。这个时期被称为电离时代,大约在129亿年前(即大爆炸之后的9亿年左右)完成。但是,电离的确切时间长久以来一直是天文学家之间争论的源头。

偏光效果

答案在于宇宙微波背景(CMB)辐射中的光子如何被离子化氢原子释放的电子散射。电子沿优先方向散射光子,导致CMB极化。找出何时发生这种极化,为最初的恒星和星系何时开始电离宇宙中的氢提供了答案。

“CMB的极化几乎是独立于其他宇宙学参数而约束电离的最佳方法,” explains 让·卢普·皮格 研究所’法国天体物理学的空间科学家 高频仪器 (HFI)在普朗克上。

考虑到这一点,由 马修·特里斯特拉姆(Matthieu Tristram) 我的实验室’Accélérateur Liné同样在法国的阿伊尔(Aire)使用HFI来测量电离一半完成的时间点。为此,他们使用极化数据来确定“汤姆森光学深度”,这是在给定的红移(宇宙年龄)下发生了多少散射的量度。他们发现最大的电子散射发生在大爆炸之后(大约131亿年前),大约7亿年,这表明这是认真开始电离的时期。

艰辛的分析

由于仪器的微妙特性,HFI的数据花费了数年时间。高保真’s 52个辐射热计通过捕获热量来测量红外和毫米波辐射,必须将其冷却至0.1 K以检测微弱的CMB。“经过数年艰苦的数据分析,得出了这一结果,因为在如此低的亮度下很难控制虚假的乐器效果,” says Puget.

早期尝试测量电离时代的结果不同。美国宇航局’s 威尔金森微波各向异性探头 (WMAP)先前曾指出,电离过程是在大爆炸之后4.5亿年才开始的。去年,普朗克’s 低频仪器该仪器的工作波长比HFI长,因此得出结论,电离过程始于大爆炸之后的5.5亿年。现在,HFI将日期推得更远。

最近的发现表明,最初的恒星和星系在类星体的离子化工作中没有得到帮助,类星体是活跃的超大质量黑洞。调查表明,在大爆炸之后的7亿年中,类星体的数量相对较少,而恒星和星系则更为丰富。

有史以来最遥远的星系称为GN-z11,今年早些时候被哈勃发现。它存在于134亿年前,当时宇宙只有4亿年的历史。普朗克’s的观察表明,此时的宇宙离子化程度还不到10%,这意味着尽管形成了恒星和星系,但它们还需要3亿年的时间才能足够充实地进行电离。美国宇航局’s upcoming 詹姆斯·韦伯太空望远镜计划于2018年启动,它将能够观测到这段时间,甚至可以更进一步地追溯到完整的电离时代。

研究结果描述于 天文学与天体物理学.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者