意想不到的化学揭示宇宙恒星工厂的秘密

来自许多不同分子的光揭示了遥远星球工厂的秘密。该图显示了在遥远的星系NCv1.143中发现的分子，叠加在附近宇宙中一个类似星系的图像上——NGC 572——由哈勃望远镜在可见光下拍摄。鸣谢:uux.cn/欧空局/哈勃，美国国家航空航天局，L. HoJmol(分子)；卡明斯(蒙太奇)。

（神秘的地球uux.cn）据查尔姆斯理工大学：由瑞典查尔姆斯理工大学领导的科学家小组对早期宇宙中的两个星系进行了研究，这两个星系包含了极其多产的恒星工厂。使用强大的望远镜将星系的光分成单独的颜色，科学家们惊讶地发现了来自许多不同分子的光——比以前在如此距离上看到的更多。研究人员认为，像这样的研究可能会彻底改变我们对宇宙年轻时最活跃的星系生命的理解。

当宇宙年轻时，星系与今天庄严的螺旋星系非常不同，后者充满了柔和闪耀的太阳和彩色气体云。新恒星诞生的速度比今天的宇宙快几百倍。

然而，这其中的大部分都隐藏在厚厚的灰尘层后面，这使得科学家们很难发现这些恒星工厂的秘密——直到现在。通过用强大的望远镜研究可见的最遥远的星系，天文学家可以瞥见这些工厂是如何设法创造出如此多的恒星的。

在一项发表在《天文学与天体物理学》杂志上的新研究中，由Chalmers天文学家杨领导的一个科学家小组使用了法国NOEMA(北方扩展毫米阵列)的望远镜，以了解这些早期恒星工厂如何创造出如此多的恒星。杨和他的同事测量了早期宇宙中两个发光星系的光，其中一个被归类为类星体，两个星系都有很高的恒星形成率。

“我们知道这些星系是巨大的恒星工厂，也许是宇宙有史以来最大的。为了能够发现它们是如何工作的，我们测量了波长约为1毫米的光，希望收集新的线索，”杨说。

NOEMA清除了APM 08279+5255和NCv1.143的图像，这些图像是通过对最高频率调谐(w18eb003和s18dc003)的所有USB通道进行平均而获得的可视性。等高线级别从5σ开始，以10σ的增量增加。颜色条和轮廓的单位是任意的，其值代表调谐的整个USB上的积分通量。学分:uux.cn/天文学与天体物理学(2023)。DOI:10.1051/0004-6361/202347610

测量结果证明是成功的，超出了科学家的预期。在他们记录的来自两个星系的光中，他们发现了许多不同种类分子的痕迹。从这些星系深处，新恒星诞生的气体和尘埃云发出许多不同波长的光。

“这是一种惊人的色彩爆发，在人眼看不到的阴影中。但是，通过将我们的观察与我们的物理和化学知识结合起来，我们可以理解颜色的含义，并看到不同星系之间的差异，”研究小组成员、欧洲南方天文台和智利联合阿尔玛天文台的天文学家塞尔吉奥·马丁解释说。

通过分析每个星系的光谱——它们的光的单独颜色——科学家们能够识别13种分子，其中几种在如此遥远的星系中从未见过。每个分子都提供了关于恒星之间空间的温度、压力和密度以及星光、辐射和物质如何相互作用的不同线索——提供了关于这些星系中物理和化学条件的关键新信息。

“解读这些信号是一项挑战。我们看到了在附近星系中很难观察到的部分电磁波谱。但由于宇宙的膨胀，像这样来自遥远星系的光被转移到更长的波长，我们可以用亚毫米射电望远镜观察到，”杨说。

来自许多不同分子的光揭示了遥远星球工厂的秘密。该图显示了在遥远的星系APM 08279+5255中发现的分子，叠加在哈勃望远镜在可见光下拍摄的附近宇宙中类似星系IC 5063的图像上。这两个星系的中心都有一个活跃的超大质量黑洞。鸣谢:uux.cn/美国国家航空航天局、欧空局和w . p . mak sym(CfA)；Jmol(分子)；卡明(蒙太奇)

该团队研究的两个星系非常遥远，它们的光需要差不多130亿年才能到达我们这里。

“观察这些星系不像是在星空下的夜晚，更像是看到一个被霓虹灯点亮的城市，”查尔莫斯天文学家兼团队成员苏珊·阿尔托说。

她解释说，天文学家习惯于拍摄我们星系的恒星工厂，如猎户座星云和船底座星云。

“在这两个遥远的星系中，我们反而看到了更大、更亮、充满尘埃、在许多方面都不同的恒星工厂。猎户座和船底座星云被炽热新生恒星发出的紫外线照亮。在这两个遥远的星系中，紫外线无法穿过尘埃层。苏珊·阿尔托说:“相反，大部分照明是由于宇宙射线——爆炸的恒星或接近超大质量黑洞时产生的高能粒子。”

来自两个遥远星系的光显示了许多不同分子的迹象。这些图中的尖峰被称为谱线，告诉天文学家关于发出光的气体云。横轴表示光的波长和频率；垂直轴显示相对亮度。为了清晰起见，顶部光谱已经上移。红色部分显示的是星系NCv1.143，紫色部分显示的是APM 08279+5255。鸣谢:uux.cn/杨等。

虽然像这两个星系这样的星系很少见，但科学家们计划利用NOEMA和它更大的姐妹望远镜，智利的ALMA(阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列)来研究更多的星系。两台望远镜都对波长约1毫米的光敏感。

“我们的结果表明，NOEMA凭借其宽带接收器和强大的相关器计算机，为研究像这些位于北方天空的极端星系开辟了新的机会。从南半球来看，ALMA计划的宽带灵敏度升级将提供更令人兴奋的前景。早期宇宙中最引人注目的星系终于能够通过它们的分子讲述它们的故事，”法国CNRS和索邦大学的天文学家Pierre Cox说。

在星际空间中已经探测到一百多种不同的分子。在这项研究中，天文学家确定了一氧化碳(CO)、氰基(CN)、乙炔基(CCH)、氰化氢(HCN)、甲酰阳离子(HCO+)、异氰氢(HNC)、一硫化碳(CS)、水(H2O)、水合氢离子(H3O+)、一氧化氮(no)、二氮鎓(N2H+)、次甲基(CH)和环丙烯(c-C3H2)的分子。其中几个(甲烷、CCH、碳C3H2、N2H+和H3O+)以前从未在如此大的距离上见过。

研究中的两个星系的星表编号为APM 08279+5255和NCv1.143。之前的研究表明，它们非常遥远，它们的光已经向我们传播了近130亿年，分别对应3.911和3.565的红移。红移意味着宇宙的膨胀将来自遥远星系的光拉伸到更长的波长，这可以用射电望远镜观察到。

尽管距离遥远，但这些星系在无线电波长下依然光芒四射。它们的信号被放大，这要归功于位于光路径上的其他星系团——一种被称为引力透镜的效应。其中一个星系APM 08279+5255也是一个类星体，由于围绕超大质量黑洞旋转的物质，这个星系的中心从无线电波到X射线都发出明亮的光。NCv1.143也可能包含一个中央黑洞。