天文与空间科学学院学者主导揭示宇宙神秘紫外辐射起源的新发现

发布时间:2020-03-18        浏览量:839

亿万光年之外,巨型的中性氢气体云产生了一类被称之为莱曼-阿尔法(Lyman-alpha)的特殊紫外辐射,这类巨型的气体云则被称为莱曼-阿尔法团块(Lyman-alpha Blobs; LABs)。莱曼-阿尔法团块被发现于20年前,其物理尺度为银河系的几倍大小,团块内部的辐射相当于几十亿个太阳。要产生如此高能的辐射需要一个非常强的能量来源,科学家们对该能量来源还存在争议。

 

2020年3月9日,中国科学技术大学和中国科学院紫金山天文台科教融合天文与空间科学学院的敖宜平研究员领导的国际研究团队的最新成果在《自然-天文学》 (Nature Astronomy)正式发表,为莱曼-阿尔法团块的能量来源提供了证据。该研究的对象是位于天鹤座方向、现在距离我们185亿光年(共动距离)的莱曼-阿尔法团块LAB6(图一),其辐射产生于107亿年前。研究团队在LAB6中发现了一些独特的现象,其中性氢气体有向团块中心下落的迹象。下落的气体具有低金属丰度,这显示它们源自星系际介质,而非产星星系本身。

 

研究团队利用了欧洲南方天文台的甚大望远镜(VLT)和联合阿尔玛天文台的阿塔卡玛大型毫米波亚毫米波干涉阵(ALMA)的观测数据。从ALMA获取的中心星系的分子气体信息,可以用来确定星系的系统速度,而VLT则提供了非常重要的莱曼-阿尔法辐射谱线轮廓的观测数据。通过对ALMA和VLT观测的莱曼-阿尔法辐射数据的分析,研究团队发现从LAB6发出的莱曼-阿尔法辐射波长比预期的更短,从而揭示了下落气体的存在(图二)。他们利用模型对光谱数据进行了分析,研究了气体的运动。

 

莱曼-阿尔法团块常与正在形成恒星的大星系相关联,其恒星形成率可高达每年几百到几千个太阳质量。巨大的莱曼-阿尔法辐射晕包围着这些星系,形成了横跨几十万光年的莱曼-阿尔法团块,其单位时间辐射的能量相当于上百亿个太阳。团块里气体的运动可以显示出星系的状态。

 

下落的气体可以有几个不同的来源。它可能是星系“喷泉”的第二个阶段——星系里的大质量恒星演化到生命末期发生爆发,把气体往外推,之后部分气体会回落。它也可能是所谓的冷气流——星系之间有纤维状的大量气体氢漂浮其中,受星系引力作用,它们会被拉向中心的星系,趋向引力势阱的最底端,构成了下落的气体。

 

通过分析莱曼阿尔法发射线的轮廓特征,研究团队发现气体里的金属尘埃含量不大。这表明气体没有被恒星形成所产生的重元素污染,也证实了这个莱曼-阿尔法团块里的下落气体来自星系际介质。此外,他们的模型还表明下落气体的量只相当于每年两个太阳质量,对于观测到的莱曼-阿尔法辐射光度来说,这太微不足道了。这些发现为产星星系作为莱曼-阿尔法辐射的主要贡献者提供了有力证据,而下落气体则塑造了莱曼-阿尔法发射线的光谱轮廓。

 

敖宜平研究员为该工作的第一作者和通讯作者。该研究得到国家自然科学基金11988101, 11933011和11373007的支持。

 

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41550-020-1033-3

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图一:莱曼-阿尔法团块LAB6周围天区的三色图。其中,绿色是来自LAB6的莱曼-阿尔法辐射。LAB6位于天鹤座方向,距离我们185亿光年(共动距离),其物理尺度大约是50万光年。图中的黄色方框边长为326万光年。图中大部分的星系是前景星系。蓝色标识欧洲南方天文台的甚大望远镜VLT提供的1.258微米J波段数据; 红色标识欧洲南方天文台的甚大望远镜VLT提供的2.146微米Ks波段数据; 绿色标识托洛洛山美洲际天文台CTIO Blanco 4米望远镜提供的0.411微米波段的莱曼-阿尔法观测数据。(敖宜平供图)

 

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图二: 莱曼-阿尔法谱线和气体运动关系的示意图。如果气体从(星系)中心外流,莱曼-阿尔法辐射波长会变长,向光谱的红端移动 。与此相反,如果气体是落向中心的,莱曼-阿尔法辐射波长会变短,向光谱的蓝端移动。(郑政供图)