用古代类星体的光追溯13亿年的历史

澳大利亚的天体物理学家通过测量古代星系周围气体中的碳密度，揭示了13亿年前宇宙的状态。

这项研究发表在《皇家天文学会月刊》上，为宇宙历史的谜题增添了另一块。

“我们发现温暖气体中的碳比例在大约13亿年前迅速增加，这可能与与被称为再电离时代的现象相关的气体大规模加热有关，”澳大利亚斯威本科技大学ASTRO 3D博士后研究助理Rebecca Davies博士说。

该研究表明，在短短300亿年的时间内，温暖的碳量突然增加了五倍 - 在天文时间尺度上是眨眼的。

虽然以前的研究表明温暖的碳有所增加，但需要更大的样本 - 新研究的基础 - 来提供统计数据以准确衡量这种增长速度。

“这就是我们在这里所做的。因此，我们对这种快速进化提出了两种可能的解释，“戴维斯博士说。

首先，星系周围的碳最初增加仅仅是因为宇宙中有更多的碳。

“在第一批恒星和星系形成期间，许多重元素正在形成，因为我们在拥有恒星之前从未有过碳，”戴维斯博士说。“因此，这种快速崛起的一个可能原因是我们看到的是第一代恒星的产物。

然而，该研究还发现有证据表明，同期冷碳的含量有所减少。这表明碳的演化可能有两个不同的阶段 - 在再电离发生时迅速上升，然后趋于平缓。

再电离时代发生在宇宙“只有”十亿年的时候，是大爆炸后的宇宙黑暗时代之后灯光重新亮起的时候。

在此之前，宇宙是一团黑暗、浓密的气体雾。但随着第一批大质量恒星的形成，它们的光开始穿过太空并重新电离宇宙。这种光可能导致周围气体的快速加热，导致本研究中观察到的暖碳增加。

再电离研究对于了解第一批恒星何时以及如何形成并开始产生今天存在的元素至关重要。但测量是出了名的困难。

“由戴维斯博士领导的研究建立在智利欧洲南方天文台超大望远镜(VLT)250小时观测期间获得的特殊数据样本之上，”天体物理研究所的Valentina D'Odorico博士说。“这是分配给使用X-shooter光谱仪进行的单个项目的最大观测时间。

“多亏了8米的VLT，我们可以观察到一些最遥远的类星体，它们充当手电筒，照亮从早期宇宙到地球的路径上的星系。

当类星体光在穿越宇宙的13亿年旅程中穿过星系时，一些光子被吸收，在光线中产生独特的条形码状图案，可以分析这些图案以确定星系中气体的化学成分和温度。

这给出了宇宙发展的历史图景。

“这些'条形码'被VLT的X-Shooter光谱仪的探测器捕获，”戴维斯博士解释说。“这种仪器将星系光分成不同的波长，就像将光穿过棱镜一样，使我们能够读取条形码并测量每个星系的特性。

戴维斯博士领导的研究捕获了比以往任何时候都多的古代星系条形码。

“我们将拥有高质量数据的类星体数量从12个增加到42个，最终可以详细准确地测量碳密度的演变，”D'Odorico博士说。

这一重大进展得益于地球上最先进的望远镜之一ESO VLT，也是澳大利亚的战略合作伙伴。

“这项研究提供了一个遗留数据集，在本十年末30米级望远镜上线之前，该数据集不会得到显着改进，”ARC三维天空天体物理学卓越中心(ASTRO 3D)的首席研究员Emma Ryan-Weber教授说。“来自宇宙早期的高质量数据将需要访问像智利目前正在建造的超大望远镜(ELT)这样的望远镜。

天文学家正在使用许多不同类型的数据来构建宇宙的历史。

“我们的结果与最近的研究一致，表明星系际空间中中性氢的量在同一时间迅速减少，”戴维斯博士说。

“这项研究也为平方公里阵列(SKA)的未来研究铺平了道路，该阵列旨在直接检测宇宙历史这一关键阶段中性氢的排放。

Ryan-Weber教授说，这项研究是ASTRO 3D任务的核心，即了解从大爆炸到现在的元素演变：“它解决了这个关键目标：生命的组成部分 - 在这种情况下是碳 - 如何在宇宙中扩散?

“作为人类，我们努力理解'我们从哪里来?令人难以置信的是，那些13亿年前的碳原子的条形码印在光子上，而当时[...]地球甚至不存在。这些光子穿越宇宙，进入VLT，然后被用来绘制宇宙演化的图片。

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