星系级的透镜

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翻译：刘海牧

校对：王茸 韩佳安

审阅：王清山

美编：徐玖坤

后台：库特莉亚夫卡 李子琦 胡永葳

艺术想象图展示了星系团（透镜星团）如何充当引力透镜，放大和延伸来自背景星系的光线。这使得投影图像（在矩形面板中标记的）更亮，更易于被望远镜观测到。也让天文学家能够使用Keck天文台的KCWI仪器放大投影图像，并绘制出两个巨大的阻尼莱曼α系（Damped Lyman alpha absorber，DLA），这两个DLA的大小是银河系的三分之二。

来源：Keck天文台 Adam Makarenko

一种独特的新仪器，配上强大的望远镜以及来自大自然的一点帮助，让研究人员能够窥视年轻宇宙中心的星系“摇篮”。

在约138亿年前的宇宙大爆炸后，早期的宇宙中充满了巨大的中性弥漫气体云阻尼莱曼α系（DLA）。这些DLA充当着“生产”星系的“摇篮”，DLA中的气体缓慢凝结，为恒星和星系的形成提供原料。它们今天仍然可以被观察到，但这并不容易。

“DLA是我们理解星系如何在宇宙中形成的关键，但它们通常很难被观察到，因为云层太分散，并且DLA本身不会发出任何光，”北卡罗来纳州立大学物理学助理教授RongmonBordoloi说。

目前，天体物理学家使用类星体（发光的超大质量黑洞）作为“背景光”来观测DLA云。确实，这种方法让研究人员能够精确定位DLA，但巨大云层只有一小部分能被来自类星体的光穿过，这就使得其总大小和质量难以被测量。

但是Bordoloi和来自夏威夷卡姆也拉W.M.Keck天文台的首席科学家John O'Meara找到了解决这个问题的方法，他们使用引力透镜星系和积分场光谱仪来观测两个DLA以及其中的宿主星系，这两个DLA是在约110亿年前形成的，即在宇宙大爆炸后不久。

“引力透镜星系是指看起来被拉伸和变亮的星系。这是因为在星系前面有一个引力巨大的结构，来自这个星系的光在朝我们行进时会被它弯曲。因此，我们最终看到的是该星系的拉伸后的样子。引力透镜就像宇宙望远镜一样，可以增加放大倍率并给我们提供更好的观测效果。”Bordoloi说。

“这样做的好处体现在两方面：首先，背景目标在天空中拉伸开并且很明亮，因此很容易对目标的不同部分进行光谱读数。其次，由于透镜会拉伸目标，因此我们可以探测非常小的尺度。例如，即便天体直径仅为一光年，我们依旧可以非常高保真地研究它。”

光谱读数使天体物理学家能够“看见”深空中肉眼不可见的元素，例如弥漫的气态DLA及其内部潜在的星系。通常，收集读数是一个漫长而艰辛的过程。但该团队通过使用Keck宇宙网络成像仪运行积分场光谱仪解决了这个问题。

研究人员能够在积分场光谱仪所指向天空的每个像素处获得光谱，从而使被拉伸天体的光谱成像非常有效。这一创新与拉伸和变亮的引力透镜星系相结合，使该团队能够以高保真度绘制出天空中弥漫的DLA气体。通过这种方法，研究人员不仅能够确定两个DLA的大小，而且还能够确定它们都包含宿主星系。

“我职业生涯的大部分时间中都在等待这样的组合：一套足够强大的望远镜和仪器，大自然给了我们一条幸运路线，以一种非常有趣的新方式研究不是一个，而是两个DLA。我很高兴看到科学开花结果。”O'Meara说。

顺带提一句，DLA是巨大的。它们的直径大于17.4千秒差距，是今天银河系大小的三分之二以上。相比之下，130亿年前，一个典型的星系的直径小于5千秒差距。一个秒差距是3.26光年，所以光需要大约56723年才能穿过一个DLA。

“但对我来说，最令人惊奇的是，我们观察到的DLA并不是独特的——它们似乎在结构上有相似之处，在两者中都检测到了宿主星系，它们的质量表明它们含有足够的燃料来形成下一代恒星，有了这项新技术，我们将能够更深入地研究恒星在早期宇宙中是如何形成的。”Bordoloi说。

这项成果发表了在《自然》杂志上。

https://phys.org/news/2022-05-galaxy-cosmic-telescope-heart-young.html

责任编辑：杨伯顺

牧夫新媒体编辑部

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发生于1919年的日食，在这次日食中，爱丁顿通过测量星光经过太阳的偏角，证实了广义相对论，也是人们对引力透镜最早的应用

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