神秘之光何來?宇宙光源與觀察量差4倍(圖)



計算機模擬「昏暗宇宙」(左)和「明亮宇宙」(右)的星系間氫氣,發現明亮宇宙所需的高能光子是昏暗宇宙的5倍。哈勃太空望遠鏡觀察到的氫離子情況匹配右圖宇宙;但用已知的紫外光源,則只能產生左圖宇宙。(Credit: Ben Oppenheimer and Juna Kollmeier)

宇宙中出了什麼差錯?最新研究發現,目前已知的星系群和類星體發出的紫外光,遠遠不足以產生觀察到的星系間氫氣量,整整少了四倍。「就像你來到一間燈火通明的大房間裡,但你環顧四周,只看到幾隻40瓦的燈泡,光從哪裡來?我們找不到它的來源。」

這是美國卡內基科學研究所的科梅爾(Juna Kollmeier)的疑問,她是這項研究的主要作者。研究小組分析了彌合星系間空白空間的氫離子分布。當氫原子被高能量紫外線擊中時,會從電中性的氫原子轉變成帶電氫離子,能把中性氫轉變成氫離子的光子稱為「電離光子」,主要來自類星體和最熱的年輕恆星。因此星系間氫離子可以作為精確的「計光器」。

當天文學家發現存在太多氫離子時很驚訝,因為超過了紫外線能夠生成的氫離子數量,而且這個差距是驚人的400%。奇怪的是,這種不匹配只出現在人類相對比較瞭解的附近宇宙中。

科學家將望遠鏡對準數十億光年之遠的星系,看到的是宇宙年輕時的情況,發現早期宇宙中紫外線的量符合電離氫原子需要的量,但在近處為何差距如此之大實在令科學家困惑不解。

研究人員對哈勃太空望遠鏡宇宙起源光譜儀的觀測數據進行了分析,並把分析結果和超級計算機模擬的星系間氫離子量進行了對比,從而發現了這種差異。

觀測表明,年輕恆星發出的電離光子幾乎都被其宿主星系氣體所吸收,幾乎不可能逃逸出來影響到星系間的氫氣。已知的類星體的數量也遠遠不夠產生足夠紫外線來產生觀測到氫離子的量。

論文合著者科羅拉多大學的奧本海默(Ben Oppenheimer)說:「模型完美地符合早期宇宙中的數據,如果我們可以假設這些額外的光真的存在,模型也極好地符合附近的宇宙」。「也可能模型沒有反映出真實情況,如果是這樣,也同樣讓我們驚訝,因為星系間氫氣是我們自認為我們最瞭解的宇宙成分。」

奧本海默說:「我們計算了已知來源的紫外線電離光子,發現少了四倍」。「80%的電離光子從何而來?很可能有新來源,不是類星體或光子逃逸的星系」。

把星系結合在一起的神秘暗物質可能與神秘之光有關聯,比如暗物質衰變併發光。論文合著者馬薩諸塞大學的卡茨說:「如果認真地考慮暗物質衰變,它是一場危機!」

無論如何,天文學家將努力闡明神秘之光來源。研究結果發表在 《天文物理期刊通訊(Astrophysical Journal Letters)》上。



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