宇宙如何在短短3亿年,从90%的中性气体,变成只有10%的?

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宇宙如何在短短3亿年,从90%的中性气体,变成只有10%的?

今天在星系之间发现稀疏分布的热气体,即星际介质(IGM),是电离的。早期宇宙开始是极热的,但后来它迅速膨胀和冷却,使其主要成分氢结合形成中性原子。这些中性原子是什么时候以及如何再电离,而组成我们今天看到的星际介质?天文学家认为,在以这一活动命名的宇宙时代,即“再电离时代”,一旦恒星开始形成和发光,大质量年轻恒星发出的紫外线就完成了这项工作。

星际介质再电离的关键步骤之一是紫外线辐射从星系逃逸到星际介质,但这一点还没有被很好地理解。天文学家只知道它必须是有效的,因为只有当逃逸的部分足够高时,星光才能完成这项工作。然而,恒星形成的星系富含致密分子气体和尘埃,这些尘埃也吸收了大量的紫外线辐射。这表明,需要一些其他重要的电离辐射源,推测包括可能存在的奇异物体,如类星体,X射线双星,甚至可能是衰变/湮灭的粒子。

然而,到目前为止,几乎没有证据表明其中任何一个足够丰富或有能力完成这项工作。哈佛史密森天体物理学中心天文学家Rohan Naidu,Sandro Tacchella,Charlotte Mason,Sownak Bose和Charlie Conroy领导了一项研究,以更好地估计这一谜题中最不确定的参数(也是最难直接测量的参数):电离光子的逃逸分数。研究比较了其他两个关键过程的测量结果和模型,这两个过程是星系中的恒星形成率和产生的紫外线光子数量。

研究应用这些来限制逃逸分数必须是什么,以便使建模保持一致。测量没有争议,但模型不同,科学家们从两种类型中选择:一种是在再电离时期逃逸分数是恒定的,另一种是取决于恒星形成率。天文学家们得出了几个重要结论:逃逸分数(至少对于明亮的星系而言)需要在早期宇宙中达到20%左右,大约是之前获得的两倍。这可能是因为恒星形成的集中区域可能会吹走紫外线逃逸的通道。

使用宇宙学模拟,研究还发现,年轻宇宙在短短3亿年内从90%的中性气体变成只有10%的中性气体。尤其重要的是,大多数再电离是由少数质量最大、亮度最高的星系完成,研究人员这些少数星系为“寡头”。以前的研究表明,有大量的暗星系可以做到这一点,但新结果并不同意,得出的结论是:这样的群体应该已经被探测到了,其研究成果发表在《天体物理学》期刊上。

博科园|研究/来自:哈佛史密森天体物理学中心

参考期刊《天体物理学》

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