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宇宙最古老星系被发现!年龄堪比宇宙大爆炸?足有一百多亿岁

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夏夜天河横空,看着密密匝匝的星影,想过这些星星的年纪多大了吗?

既然恒星、行星有寿命,那么更大系统的星系,它也是有寿命的。问题来了,最古老的星系在哪里呢?到现在它的年纪又有多少岁了呢?

或许,我们能经由这些年龄最大的星系,解开宇宙大爆炸的秘密。



已知最古老星系

目前已知最古老的星系,是2022年的新发现。美国和丹麦两国的研究人员,对最新的观测数据进行了分析,科研人员随后发现了一个叫GLASS-z13的星系。

它的年龄相对于目前已知的星系很老,因为该星系诞生于宇宙大爆炸后3亿年。

在此之前,被测定的年纪最大星系为GN-z11,这是一个距离地球远达134亿年的星系,是由此前的哈勃望远镜发现的。

而新发现的GLASS-z13,在年龄上能不能超越该星系,还有待科学界进行更深入的观测和研究。



在科学家看来,上述两个星系的年纪或许存在差距,但年龄相差不会太大,它们的年纪大概相仿。只不过从距离上来看,新发现的星系距离地球更加遥远。

除了年纪大、距离远之外,两个星系还有一个最大的特点便是体积质量小。

根据研究测定发现,上述两星系的质量,仅仅比太阳高出了10亿倍,和银河系相比,几乎无法相提并论。



其中,GLASS z-13的直径只有1600光年,GN-z11的直径稍大,但也仅有2300光年。这和银河系10万光年的直径比起来,简直是小巫见大巫。

但它们的年纪究竟怎么样,科研人员认为还要借助望远镜上的光谱仪进行分析和证实。

光谱仪针对星系,可以测量到宇宙膨胀时星系发出光芒的红移现象,这种现象是随着宇宙的持续膨胀而形成的。



那些早期天体发出的光芒,像紫外线等会朝着光谱的红段移动,它们最终会以红外线的形式,从遥远的区域内抵达现在的近地空间。这种现象在天文学领域,就被称之为红移。

在星系年纪的测量上,科学家还有哪些依据呢?

形状和年龄可能相关

恒星等单个的天体是圆形的,庞大的星系则不同,它的形状存在很大差异。而科学家认为,造成它们形状各异的原因,正是由于处在不同的年龄段。



这一发现是澳大利亚国立大学的研究人员提出的,2018年时科研人员推动了一项最新的研究,他们发现星系年龄和形状存在关联,年纪越大,形状会变得越大和膨胀。

像银河系,它的形状看起来是典型的压扁球体,多数星系也具有这种特征。但是在年龄增加的情况下,因为恒星等各个天体在向着每个方向移动,星系整体看起来就在膨胀。

越是年轻的星系,恒星等天体是沿着星系的圆盘在进行有序的旋转运动。当圆盘变成圆球状,就意味着星系的年龄增加了。



在科学家看来,恒星围绕星系的运转,在星系年龄的各阶段,也会有一个平稳发展过程。

其中的规律,是科学家基于843个不同的星系而得出的结论。起初科学家以为,形状和年龄之间的这种关联是个例,但分析的星系越多,越发现这在星系内是一种普遍现象。

像银河系,它现在的年龄已经超过了130亿年。在科学家看来,银河系已经不年轻了,内部的恒星有的很古老,有的则还比较年轻。

这种年轻和古老混合的局面,科学家将其界定为中等平均年龄。所以从银河系的形状来看,它现在既是扁平的,但中间也已经膨胀成圆球状了。



当然,上述研究也仅仅是一家之言。而且单纯只从形状上来界定星系的年纪,就显得有些单一。

因为,星系的运动在整个生命周期内不是固定不变的。在星系上百亿年的生命历程中,还存在着两个星系发生膨胀的可能。

有的星系在融合后形状发生改变,或许就不会符合上述所说的规律了。也正因为如此,在星系年纪的认定上,科学界还有别的方式。



什么样的星系是真的年老了?

星系本身和恒星一样,其整体也在进行着物质和能量的消耗。在科学界看来,缺少气体和尘埃的星系,年龄普遍偏大一些。

因为这类星系的气体以及尘埃,都在大规模的造星过程,即恒星诞生中被消耗掉了。

而这种星系,通常还有另外一个特点,是由多个行星经碰撞后合并而来的。



星系经过合并以后,规则会变成椭圆形,因为星系间的撞击形成气体和尘埃,所以才会造成一波新的恒星的诞生。

如果是根据这一理论的话,似乎星系本身的膨胀,跟星系的撞击以及年龄就没有什么必然关系。毕竟碰撞合并后形成的椭圆星系,在形状上跟单纯的膨胀无关。

除此之外,星系的碰撞还是演化形成不规则星系。这类星系形状特殊,外形看起来没有规律性。再者,不规则星系的尺寸都不是太大的。



至于不规则星系的年龄,有科学家认为在经过碰撞后,也会因为恒星的诞生而存在气体和尘埃消耗。所以相比于碰撞之前,它的年纪肯定就大了。和别的未经过碰撞的星系比起来,年龄似乎也更大一些。

所以从这个角度去看的话,碰撞而不是形状,才是衡量一个星系年龄是多大的关键因素。

当然,无论是星系自身的膨胀,还是和别的星系的碰撞,这些都只是统计的角度。



除了椭圆星系和不规则星系之外,还有的星系便是像银河系这样的漩涡星系。

这类星系是典型的圆盘状,生命历程中还存在着多种变化的可能。其中一种可能就是,星系的中心区域变成棒状结构。

所以这种类型的星系,又叫棒旋星系。如今银河系的中心地带,就有这样一个棒状结构,所以从这个角度去看,它已经发生一种变化类型了。

值得一提的是,根据科学家此前的研究,银河系正在和邻居仙女星系靠近,它们最终会发生碰撞进而融合。



根据上述观点,融合之后的星系,要么会形成椭圆形星系,要么会变成不规则星系,总之都不再是原来的样子。

而且从时间的角度去看,碰撞和融合发生在以后,相对于现在,新形成星系的年龄,也就老了很多了。这似乎又能说明,星系的碰撞和它的年纪,存在着某种关联。

年龄和形状之外,星系本身明亮与否,科学家对此也很感兴趣。



活泼和安静的差异

科学家认为,宇宙爆炸后的不长时间里,所有刚生成的星系都很活泼。

这是由于,彼时星系中央的黑洞正在距离活动,“贪吃”的黑洞制造出了很大的动静,所以星系的中央都会相当明亮。

至于这种明亮能达到何种程度,据说哪怕是极其遥远,也能看到核心区域的亮光。

一旦核心区域的黑洞吃饱喝足,整个星系也会随之安静下来,没有剧烈的活动,科学家将其称为“静悄悄”的。



这种“静悄悄”也意味着,整个星系不再制造新的恒星了。有科学家此前就发现过类似的星系,没有新的恒星诞生,核心区域更是在上百亿年前就已经稳定了下来。

如果从时间的角度去看,似乎又能说明,一旦星系陷入了安静,就意味着它开启了“老年生涯”。

当然,科学家肯定不会这么直接去理解,因为这里面还存在着别的变量因素。



而要了解更多的变量因素,就得借助大型的望远镜设备。无论是观察银河系本身,还是观察更远的星系,科学家主要依靠地球外部的“眼睛”。

此前发现最古老星系的设备,就是近年来代替哈勃望远镜,最新部署到太空的詹姆斯·韦伯望远镜。

深空巨镜的使命

韦伯望远镜是在2021年底发射升空的,此前科研人员光是设计它,就用了20多年。



望远镜整体是由六边形的镜片拼接而成,这些镜片的数量多达18块。由于数量多了,相比于它的前辈哈勃望远镜,它采集光线的面积将大5倍以上。

这些镜片构成了韦伯望远镜的主镜,它的直径达到了惊人的6.5米。除了这一庞大结构外,望远镜还有次镜结构。

次镜是从主镜的正面延伸出来的长臂支撑,在主镜凸起的黑色区域,还有被安装好转向镜和三级镜。



在太空工作不同于地面,望远镜需要能适应零下220℃的环境。所以在材料的选用下,镜片材料都是金属铍。

这种材料的特点是密度低,硬度相对较高,在低温的情况下不会收缩变形。

镜片的表层还涂上了一层黄金,厚度只有100纳米,这些黄金的作用,是为了优化反射红外线的性能的。



镜片之外,便是那些更精密的科学仪器了。它们都位于主镜的背面,有近红外光谱仪,近红外成像仪,近红外相机等等。这些仪器的主要作用,可以将望远镜收集到的光线进行分析成像。

除了采集光线和成像的设备外,为了遮挡太阳、地球和月亮的辐射,望远镜还配备了巨幅的遮阳板。它究竟有多巨幅呢?展开来的面积相当于一个网球场。

这么大的体积,所以在发射升空时,它是以折叠的状态被装入火箭内的。其整体的重量达到了6.2吨,是个名副其实的大家伙。



如今,它的具体位置,是在距离地球150万公里的深空区域。这一区域,也就是人们常听到的拉格朗日点。

因为太阳和地球引力的相互作用下,在这一区域内运行,望远镜能始终处于地球的阴影一侧,而遮阳板的外层区域,又能始终对着太阳、地球和月亮的方向。

它的预计服役期限是5年,而在科学家看来,服役期限延长至10年应该没什么问题。



结语

未来,科学家要观测和研究深邃的宇宙,韦伯望远镜就要发挥主要主要作用了。



科学家希望,接下来它能在观测任务中,发现宇宙深处最早诞生的一批星系。除了研究天体本身外,科学家念念不忘的还有,希望能通过它,看到别的星球上是否存在生命。

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