科学家发现宇宙早期“超星团” 进一步研究星系形成
2015-05-11 09:46:00   来源:中国科技网
内容摘要
近日,法国科学家发现宇宙早期“超星团”,每年形成的恒星总质量为太阳的30倍,这一年轻超星团的发现对于理解星系的形成也有帮助。在宇宙早期,星系内部新形成的超星团能够抵御恒星风和超新星的破坏,并可能延续上亿年,从而推翻了此前一些模型的预测。

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法国原子能及可替代能源署、法国国家科研中心和巴黎七大的研究团队近日发现宇宙大爆炸后约30亿年时期的超星团,该发现将为进一步研究宇宙早期恒星形成的物理机制和条件提供帮助。

超星团通常十分稠密,是孕育恒星的活跃区域。为了研究宇宙早期恒星的形成机制,法国天文学家利用哈勃望远镜和位于夏威夷的昂星望远镜,将观测目标投向宇宙深处遥远的超星团。

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该研究团队在观测距离地球110亿光年、直径约为5万光年的星系中发现了新的超星团。这一年轻的超星团成型仅有1000万年,含有大量气体,每年可形成总质量为太阳30倍的恒星,这一效率是此前观测到同时期恒星形成速度的10倍。由于该超星团十分年轻,还无法通过其内恒星亮度对它进行观测,它的发现得益于其散发的电离气体。

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这一发现首先表明,在宇宙早期,星系内部新形成的超星团能够抵御恒星风和超新星的破坏,并可能延续上亿年,从而推翻了此前一些模型的预测。

研究人员针对早期超星团设计了新的流体动力学模型,借助法国原子能及可替代能源署和国家高效能运算中心的超级计算机进行模拟。结果显示,宇宙早期富含气体的星系中,在初期1万年间,气体会富集在分散的区域内并形成很多恒星。在约1500万年后,大质量恒星的星风和超新星爆炸将能够抵消气体塌缩引力,随后恒星的形成效率逐渐下降。这一模拟结果与观测相符。

另外,这一年轻超星团的发现对于理解星系的形成也有帮助。新发现表明,宇宙早期超星团的寿命有可能达到5亿年以上,这使得超星团有足够时间进行演变并迁移至星系的中心地带,在中心巨型黑洞的增长过程中发挥重要角色。

 

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认识宇宙“超星系团”  

若干星系团集聚在一起构成的更高一级的天体系统,又名二级星系团。本星系群就同附近的50个左右星系群和星系团构成本超星系团。星系团聚合成超星系团的现象叫作星系的超级成团或二级成团。超星系团的质量范围为1015~1017太阳质量。

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若干星系团集聚在一起构成的更高一级的天体系统,又名二级星系团。本星系群就同附近的50个左右星系群和星系团构成本超星系团。星系团聚合成超星系团的现象叫作星系的超级成团或二级成团。通常在一个超星系团内只含有2~3个星系团。拥有几十个成员星系团的超星系团是不多的。超星系团往往具有扁长的外形,长径范围为60~100百万秒差距,长短径之比平均约为4:1;这种扁形结构可以说明超星系团通常有自转。超星系团内的成员星系团的速度弥散度大约为每秒1,000~3,000公里,但各成员星系团之间的引力相互作用要比星系团内各成员星系之间的引力作用弱得多,因而有人认为超星系团可能是不稳定的系统。超星系团的存在,表明宇宙空间的物质分布至少在 100百万秒差距的尺度上是不均匀的。

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至于是否所有的星系团都是不同大小的超星系团的成员,由于观测资料的极其不足和分析方法上的困难,这个问题还远未取得一致意见。此外,还有人认为超星系团可以进一步成团,形成三级星系团以至更高级的星系集团。

超星系团的存在说明宇宙空间的物质分布至少在100百万秒差距的尺度上是不均匀的 。20世纪80年代后,天文学家发现宇宙空间中有直径达100百万秒差距的星系很少的区域,称为巨洞。超星系团同巨洞交织在一起,构成了宇宙大尺度结构的基本图像。本星系群所在的超星系团称为本超星系团。较近的超星系团有武仙超星系团、北冕超星系团、巨蛇-室女超星系团等。

现存的超星系团显示在我们宇宙内的星系分布是不均匀的;多数的都聚集在一起成为群和集团,每个小集团的星系从50个至数千个不等。这些群和集团与其他星系形成更大的被隔绝的结构,称为超星系团。

 

发现“欲火凤凰”超星团

天文学家发现了一个非常不同寻常的星系群,是目前发现的宇宙中最大的天体集群之一,打破了若干个宇宙天体观测记录。该超级星系集群被称为“凤凰超星团”,由隶属于美国国家航空航天局的钱德拉X射线空间望远镜、美国国家科学基金会南极望远镜观测阵列以及其它八座世界级的天文台联合观测,“凤凰超星团”的出现使得天文学家们需要重新思考宇宙中的庞大天体结构,以及星系群中星系的演化过程。

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在“凤凰超星团”中,科学家们观测到了最快的恒星形成速率,庞大的恒星形成区在钱德拉X射线空间望远镜的观测下一目了然,而且观测数据还显示了星系团中炙热气体的冷却速率是有史以来最快的。“凤凰超星团”位于凤凰星座,距离地球大约57亿光年。

根据麻省理工学院的Kavli研究所天体物理学和空间研究科学家迈克尔·麦克唐纳(Michael McDonald)介绍:“凤凰是一个很好的比喻手法来描述这个宇宙中超级庞然大物,虽然大多数星系团中心的恒星集群似乎已经处于休眠的状态,但凤凰超级星团的中央星系看上去已经复苏,开刷了新一轮的恒星形成过程。”就像其他星系团那样,凤凰超级星团中包含着大量的炙热气体,而且比起正常的星系团拥有更多的星际物质,只有钱德拉X射线空间望远镜才可以看到该超级星系群中的的所有活动。

然而,大多数的星系团在形成之后的数十亿年,就很少有新的恒星集群开始出现,天文学家们认为这是因为逐渐演化发展出的黑洞开始进入这个系统,阻止了可导致恒星形成的星际气体的冷却过程,使得恒星形成受阻。在著名的英仙座星系团中,其中存在的黑洞便阻止了恒星形成的气体演化过程,降低了恒星形成速率,尤其是在英仙座星系团中央,黑洞释放的喷流形成了强大的干扰波。

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根据位于马萨诸塞州哈佛-史密松森天体物理中心的天文学家、本项研究的合著科学家之一瑞安弗利(Ryan Foley)介绍:“在凤凰超级星团中,我们发现黑洞的喷射流似乎并不强大,不足以阻止恒星形成过程中气体的冷却过程。”正是由于凤凰超级星团中的黑洞喷流并不强大,造成了超级星团中心恒星形成速率比英仙座星系团的恒星形成速率快了近20倍,这一比率是目前天文观测中发现的最高恒星形成速率的星团之一。

在凤凰超级星团中狂热的恒星形成速率和气体冷却过程导致了星系以及黑洞的质量都在以较快的速度增加。根据另一位参与本项研究的科学家、芝加哥大学的宇宙物理学家布拉德福德森(Bradford Benson)介绍:“这种快速的恒星增长速率并不会延续超过一亿年,否则超级星系与黑洞将会比临近宇宙空间的星系大得多。”更加引人注目的是,超级凤凰星团极其中央星系、黑洞是目前宇宙观测中发现的最大质量同类天体。

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由于星系团庞大的体积对研究宇宙学和星系演化具有决定性的作用,发现凤凰超级星团恒星形成集群具有极大的研究价值。剑桥大学的科学家马丁·里斯(Martin Rees)认为如此大规模的恒星形成区是相当有价值的发现,因为这提醒我们需要重新思考巨大的星系如何形成这个问题,冷却的热气体可能比以往所认为的在恒星形成中发挥更重要的作用。

凤凰超级星团最初被美国国家基金会南极天文台观测到,接着位于智利的双子座南站天文台对其进行了详细观测,为了进一步计算凤凰超级星团恒星形成的速率,科学家使用了美国国家航空航天局广域红外空间望远镜和星系演化探测器,以及隶属于欧洲空间局的赫歇尔空间望远镜进行观测。

 

“宇宙超星团”图像

宇宙、星空,这些既美丽又神秘的区域总会引发人的探索欲望。据报道,夏威夷大学团队在《自然》期刊发表研究报告,以新的制图技术重塑地球所在的巨大超星团Laniakea,其宽度约5.2亿光年。这是天文学家首次得出超星团的图像。

 

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夏威夷大学团队重塑出超星团Laniakea supercluster的图像

 

据称,这项发现推翻了科学家以往认为银河系及太阳系所处的星团直径约1亿光年的推论,而这两个星系只是Laniakea的一小点。

Laniakea在夏威夷语的意思为“无边际的天堂”,质量相等于10万万亿个太阳,包含10万个星系,银河系只位于Laniakea的边缘。领导研究的塔利表示,新制图技术通过估算宇宙膨胀的速度,计算出每个星系的位置,有助更深入了解宇宙演变过程。

 

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