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249亿光年外发现不该有的星系,天文学家:早出现26亿年

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火星科普 2021-07-31 10:55

根据《科学》(Science)杂志刊载的一项新研究[1],天文学家发现了一个目前距离地球249亿光年的遥远星系——BRI 1335-0417,它出现在年龄只有14亿年的年轻宇宙中。但它的一个特征让天文学家感到非常惊讶,这样的星系本不该存在于当时的宇宙中,目前的理论无法解释。

在直径为930亿光年的可观测宇宙中,估计存在2万亿个星系,我们所生活的银河系就是其中一个。从结构上来讲,星系可以划分为三大类:螺旋、椭圆以及不规则。

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在目前的宇宙中,大部分星系都为螺旋星系,占比可达三分之二。螺旋星系的特征是中心有一个聚集大量恒星的核球,从核球周围会延伸出几条旋臂。银河系属于螺旋星系(又可以进一步细分为棒旋星系),存在4条主旋臂和至少2条支臂,我们的太阳系处在猎户支臂上。

基于阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列(ALMA)的观测结果,BRI 1335-0417星系存在螺旋结构、旋转盘和中心大质量结构,这意味着它是一个典型的螺旋星系,这也目前已知最远最古老的螺旋星系。

根据星系演化理论,宇宙中的第一批星系最早出现在宇宙大爆炸后2亿年,即136亿年前。目前,天文学家观测到的最古老星系是134亿年前的GN-z11,它存在于年龄仅为4亿年的早期宇宙中。

虽然宇宙中早就有星系形成,但最初的星系都是不规则的,根本来不及也没有没条件来形成螺旋星系。在如今的宇宙中,螺旋星系是主流,但随着时间的往前回溯,它们的数量将会大幅下降。

光速在宇宙中的传播速度是有限的,这意味着我们看到越远的光子,也就看到了越早的时间,光子从遥远宇宙传播到地球上需要时间。当天文学家观测遥远宇宙时,发现螺旋星系的数量会随着时间的回溯而迅速减少。

早期宇宙要比现在小得多,物质密度也大得多,所以那时的宇宙十分混乱。大量星云在暗物质的作用下形成新的星系,它们的形状都是不规则的,这个可以从几乎看到宇宙尽头的哈勃极深场窥见一斑。

在第一批星系形成之后,还需要非常漫长的时间,引力才能把星系“摊成”薄饼状,并形成旋臂。在引力混乱的早期宇宙中,不允许星系形成独特的螺旋结构。

天文学家估计,只有宇宙诞生40亿年后,才有条件大量形成螺旋星系。而螺旋星系BRI 1335-0417的出现比理论上早了26亿年,它的螺旋结构成因不明,这是天文学家目前所无法理解的现象。

虽然BRI 1335-0417还不是成熟的螺旋星系,但它的两条旋臂非常明显,从星系中心向外延伸了大约1.6万光年。在该星系的中心,天文学家还发现了一个质量高达太阳60亿倍的超大质量黑洞,它正在大量吞噬物质,释放出强烈的电磁辐射。BRI 1335-0417的总质量大致相当于银河系的质量,对于一个存在于年轻宇宙中的星系来说,这个星系无疑是一个巨无霸。

最后值得注意的是,BRI 1335-0417星系出现在宇宙年龄只有14亿年时,而目前宇宙年龄为138亿年,这意味着该星系存在于124亿年前。那么,它是如何在124亿年的时间里,运动到249亿光年之外呢?难道它的运动速度超过了两倍光速?

事实上,这个星系并没有超光速,这是宇宙空间持续膨胀的结果。在124亿年前,它与银河系的距离还没有那么远。然而,由于该星系与银河系之间的空间不断在扩张,导致它发出的光用了多达124亿年的时间才到达银河系。

而在过去124亿年里,这个星系随着空间膨胀,不断远离而去,使得两个星系目前分开的距离达到了249亿光年。它们之间的实际距离并不是124亿光年,这个星系发出的光走过的距离才是124亿光年。这是空间膨胀的结果,不受光速的限制,星系本身在空间中的运动速度远远小于光速。

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