橢圓星系不是經由星系合併而形成

SDP.81愛因斯坦環和重力透鏡星系
關於大型橢圓星系的來源,現行公認的理論認為是經由螺旋星系合併的過程而形成。不過,近期義大利國際高等研究院(Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati,SISSA)克勞迪婭·曼庫索(Claudia Mancuso)等人的研究卻顯示:橢圓星系應是在宇宙早期透過所謂的「局部( 原地)恆星形成(local (in situ) star formation)」的過程而形成。其實先前已有天文學家利用理論模型進行研究而提出過這個原地假說,但直到曼庫索等人簡單地透過赫歇爾太空望遠鏡(紅外波段)、哈勃太空望遠鏡(紫外波段)所收集的資料進行分析而後用內插法計算,所得結果顯示原地理論應該是正確的。

所有問題的起源是「塵埃」:恆星形成速率最高的那些星系通常也是塵埃含量最高的,因為那些劇烈的造星過程會製造出氣體和重元素形成的分子。這意味著新生恆星發出的電磁輻射有部分會被塵埃和氣體吸收,導致天文觀測儀器所偵測到的可見光和紫外光輻射會比真正的輻射量還少一些,而氣體與塵埃吸收的這些能量「再輻射」回太空時則主要落在紅外波段。受限於儀器,很難觀測到非常遙遠的古老星系發出的紅外輻射,令到研究恆星與星系形成變得複雜,所以至今絕大部分研究大都止步於純理論模型而已。

曼庫索等人則逆向思考,設法取得近距星系的完整資料,還有遠方星系的不完整資料,然後根據曼庫索等人設計的方案,用內插法延伸資料範圍,「填補」遙遠星系缺失的部分資料。這項分析工作也有將重力透鏡現象考慮進去,如此一來便可讓天文學家們觀測那些非常遙遠的古老星系。

在這種與理論模型完全無關的直接方式,SISSA研究團隊獲取了一幅星系演化的圖像,甚至可前推至非常古老的宇宙時期,幾乎可達宇宙再游離時期(epoch of reionization)。透過這項重建工作,證明橢圓星系無法透過其他星系的合併而形成,純粹因為這種過程沒有足夠時間去累積我們如今在這些星系中所觀測到的大量恆星。這意味著,橢圓星系是透過在原地的恆星形成過程的形成。

這些發現,將是未來建構新一代理論模型和數值模擬的必要起始點,更重要的是這些發現將可提供做為下一代巡天計劃中辨認原初星系的基礎,例如紫外波段的韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope)、毫米波段的ALMA( Atacama Large Millimeter Array)或電波波段的公里方陣電波干涉儀(Square Kilometer Array,SKA)等,對研究宇宙早期星系狀況的領域而言是個非常重大的突破。

【圖、文:節錄自台北天文館之網路天文館網頁;新聞訊息由林景明提供】

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