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標 題: [摘錄]從哈伯HUDF研究宇宙早期再游離狀況
發信站: 銘傳築夢別境 (Fri Sep 24 22:10:46 2004)
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天文學家分析人類有史以來拍得最遠的天區：哈伯極深天區（Hubble Ultra Deep
Field，HUDF）的影像後，確認一些宇宙最早有恆星正在形成的星系。天文界近十
幾年來，為了這些最早星系中高溫恆星的熾熱輻射，是否會讓大霹靂之後已經冷卻
的原始氫氣再度被加熱而游離（reionized）的問題爭議不已。哈伯的HUDF影像，
或許能為此爭議提供一些解決的線索。
近十幾年來的SDSS、WMAP等計畫的觀測證據趨向於宇宙早期（宇宙誕生後約5∼10
億年）曾經歷「再游離期（reionization epoch）」，熾熱恆星發出的強烈紫外輻
射，使得本已冷卻的氫原子外圍唯一的電子因吸收能量而脫離原子核的束縛，光線
才得以在宇宙中自由穿梭。不過，這麼久遠的天體，亮度非常暗而難以觀察，天文
學家很難找到夠精確、數量夠多的天體來研究並證實上述理論。利用哈伯太空望遠
鏡在太空中的獨特地位進行長時間曝光觀測後，HUDF所拍攝天區中的天體，年齡最
早者約為約距今95％宇宙年齡的時間以前（約宇宙誕生後10億年左右）。
不同團隊的天文學家在HUDF影像釋出的第一天便利用不同的技術各自進行相關研究
，從影像中總共挑出54∼108個可能是遙遠星系的昏暗紅色斑點（上圖中綠色圓圈
圈起的部分），顯示：宇宙誕生後約10億年的時期，宇宙中到處充斥著矮星系（
dwarf galaxies），卻少有像我們銀河系一樣發展成熟的大星系，之後才藉由星系
合併而製造出我們今日可見的大型星系。
然而，不同的團隊，關於再游離時期的結論並不盡相同。
英國Andrew Bunker等人認為在HUDF中找到的這些矮星系，其紫外輻射應不足以造
成宇宙早期的再游離現象；如果再游離現象的確是正確的，那麼要不是宇宙早期的
恆星形成物理現象不同，要不就是還有更多的星系尚未被發現。
美國馬里蘭Massimo Stiavelli等人卻認為如果宇宙早期星系中的重元素豐度很低
，而且星系中含有很多質量很大的恆星，那麼這些數量的矮星系天體已足以引起再
游離現象。
美國加州Haojing Yan和Rogier Windhorst發現HUDF影像中矮星系亮度愈暗、數量
增加速度很快，因此即使重元素豐度與現今相同，其紫外輻射總量仍足以引起再游
離現象。
美國亞利桑納Rodger Thompson和Rychard Bouwens則結合其他觀測資料分析估計紅
移值（redshift）約為6的星系（相當於大霹靂之後9億年）的亮暗星系相對數量，
結果顯示這個時期的宇宙由暗星系主導，因此暗星系對再游離現象的發生應有重要
影響。他們同時在HUDF影像中找到位在宇宙誕生後約2億年左右的星系（紅移約為7
-8）。
至於美國太空望遠鏡科學中心Sangeeta Malhotra和James Rhoads則發現在紅移＝5.9
時（約距今125億年前）的星系密度，約為HUDF可發現遙遠星系的其他時期星系密度
的4倍，星系的分佈如同「薄片狀」，顯示宇宙中密度最大的地方應就是第一代星系
形成之處，而且毫無疑問地對再游離現象有影響，使得在宇宙早期的不同區域、再
游離速率也不同。
無論如何，對再游離是否存在的疑問愈來愈少。雖然已知第一代超級大質量恆星約
誕生於宇宙誕生後2億年左右，不過大質量恆星的紫外輻射雖然使得宇宙變成透明，
但同時也得等到再游離現象逐漸緩和、氫原子氣體逐漸冷卻而集中後，才能讓質量
比較小的普通恆星形成。HUDF影像雖然讓許多天文學家能追溯到距今95％宇宙年齡
之前的時空，天文學家仍嫌不足，他們希望能掌握其餘宇宙最初的5％的時間內，
宇宙究竟有什麼樣的過程正在進行，天文競賽似乎永不會停歇。
參考資料來源：
http://hubblesite.org/newscenter/newsdesk/archive/releases/2004/28/text/
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