惊人发现:百亿年宇宙最原始气体云(图)

2011-11-17 19:41

形成于宇宙大爆炸后极早期宇宙中的原始气体云。(网络图片)

天文学家们近日首次成功观测到形成于宇宙大爆炸后极早期宇宙中的原始气体云。这些气体云的化学组成符合理论预期，这一发现证明现有宇宙学模型中对于宇宙化学元素起源的解释应当是正确的。

宇宙大爆炸中仅仅能产生质量最轻的元素，即氢和氦。在大爆炸发生数百万年之后，第一批恒星才在气体聚集塌缩作用下形成，这些恒星最终形成了更重的元素。在此之前，天文学家们寻遍宇宙，但是目光所及都有金属元素的痕迹。这里要注意一点，在天文学中，所谓的“金属”指的是除去氢和氦之外的所有其他元素。

谢尔维亚·普罗恰斯卡(Xavier Prochaska)是美国加州大学圣克鲁兹分校的天文学和天体物理学教授，他说：“我们一直致力于寻找宇宙中的原始物质，但是一直没有成功，直到这一次。这是我们首次观测到未受金属污染，完全原始的气体云。” 普罗恰斯卡教授是一篇有关此项工作的，发表于11月10版《科学》杂志的论文的合著者。论文第一作者则是该校研究生米歇尔·符马加利(Michele Fumagalli)，另有一位合著者是佛蒙特州圣米歇尔学院的约翰·奥马拉(John O'Meara)。

符马加利解释说：“这些气体云中缺乏金属，显示其成分非常原始。这一发现让人振奋，因为这是人类首次确认早期宇宙中化学成分和大爆炸模型预言相符的原始气体云物质。”

研究人员此次调用夏威夷莫纳克亚山顶的凯克-1望远镜加装HIRES光谱仪获取了遥远类星体发出的光线数据。他们将这些暗弱的星光分解成不同波段，这样他们便能识别出哪些波段出现了缺失，这种缺失是光从遥远的类星体抵达地球的路途中被物质吸收的结果。符马加利说：“我们对光谱中的吸收谱线进行分析，这是光线被途中气体吸收的结果。于是我们便能反推出光线途经旅途中遇到的气体物质的成分。”

自然界中的每种元素都会在光谱中留下独特的谱线。在这一气体云产生的谱线中，科学家们仅仅识别出氢元素和它的同位素氘产生的谱线。普罗恰斯卡教授说：“我们的探测仪器对氦元素不是特别敏感，但是我想如果我们的设备敏感度足够高，我们是可以看到氦元素的谱线痕迹的。不过我们的仪器对碳，氧和硅元素的灵敏度很高，但是这些元素却完全没有被检测到。”

在这一次的发现之前，人们测量到的宇宙中最低金属度是太阳金属度的1/1000。符马加利说：“人们认为金属度存在下限，他们认为不可能存在金属度比太阳的1/1000更低的了。这是因为恒星爆发产生的金属元素在宇宙中广为播撒，几乎不可能存在没有被播撒到的角落。”因此他认为此次的发现多少有点出人意料。它可能将改变我们对于宇宙中恒星抛洒出的金属元素分布模式的观点。

研究者们估计此次观测的这一原始气体云的金属度约为太阳金属度的十万分之一。而在另一个极端，已知金属度最高的的恒星或气体云中，其金属度高达太阳的10倍。普罗恰斯卡说：“宇宙中不同区域的金属丰度差异很大，因此这一发现为我们理解金属元素在整个宇宙中的播撒分布提供了新的参照。”

当一台强大的望远镜观测遥远的星系，它正在回溯时间。由于这些遥远天体发出的光抵达地球需要时间，因此我们所观察到的这些天体事实上只是它们久远的过去的影像。此次分光观测的原始气体云位于宇宙大爆炸后仅大约20亿年，也就是在时间中回溯了几乎120亿年。根据现有模型认为，在那一时代星系正处于高速成长期，它们从周围环境中大肆吸收低温的气体云物质，但是这些所谓的“低温气体流”此前却从未被观测所证实。符马加利认为他们此番所观察到的原始气体云很可能就是这种低温气体流的构成物质。当然我们还需要更进一步的观测数据来支持或否定这一观点。