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哈勃揭示早期宇宙中矮星系的星暴现象
| 编辑：Henry Ferguson等 | 来源:哈勃官网 | 【】【】【】
原文标题： 原文作者：Henry Ferguson，Donna Weaver，Ray V 来自：； 发表时间：; 翻译：gohomeman1& 审校：Linq （编译版权所有，文章有删节，未经许可请勿转载。） 　　 ：哈勃太空望远镜的红外视力回溯到90亿年前的宇宙，发现了一类极端的年轻矮星系，整个星系都处于星暴过程中。这些星系的质量不到银河系的1%，但其形成恒星的风暴是如此狂烈，只需10亿年就能使其恒星成员数翻番。相比之下，银河系需要上千倍的时间才能再生所有的成员。
哈勃拍摄的早期宇宙中的极端矮星系，版权：NASA，ESA；CANDELS团队；A. van der Wel、H. Ferguson、A.Koekemoer 等，下同
　　 这些新发现的矮星系既使在年轻宇宙中也很极端，虽然那时的星系普遍形成恒星速度比现在的高（宇宙年龄为137亿年）。哈勃能够鉴别出这些矮星系，是因为其中年轻的炽热恒星激发其周围星云气体中的氧发光，就像遥远的霓虹灯一样。由此，很可能意味着对于宇宙中最常见的星系类型——矮星系而言，急遽的恒星诞生是矮星系形成中的重要阶段。
　　 研究报告首席作者、来自德国海德堡市马克斯—普朗克天体研究所的阿扬o范o德o维尔（Arjen van der Wel）介绍说：“那些星系一直在那里，但直到最近，天文学家才拥有了对一小片天空进行精密巡天并足以发现它们的手段。我们并非特意寻找这些星系，但它们因其特殊的色彩而凸显出来。”团队研究报告将于发表在《天体物理学》期刊的网站上。
　　　　　　　　　　　　　& GOODS深空场南部巡天区域，超级大图
　　 本观测是历时三年的河外星系近红外深空巡天遗产集（CANDELS）的一部分，这个雄心勃勃的计划分析全宇宙的最遥远星系，并普查早期宇宙中的矮星系。
　　 研究报告联合作者、来自马里兰州绿化带市的美国宇航局戈达德太空飞行中心的Amber Straughn说：“哈勃不但拍摄了图像，还拍摄了光谱，显示少量星系中有氧谱线，证明它们处于极度的恒星诞生潮中。光谱就像指纹一样，告诉我们星系的元素组成。”
　　 与我们对围绕银河系旋转的矮星系的详细研究对比后发现，这些观测结果存在某些不同之处。
　　　　　　　　　 哈勃拍摄的早期宇宙中的极端矮星系（UKIDSS超级深空场）
　　&马里兰州巴尔的摩市，太空望远镜科研所（STScI）的哈里o弗格森（Harry Ferguson）解释说：“过往的研究推测，星系中的恒星形成是个缓慢的过程，延续10亿年以上。但CANDELS发现早期宇宙中，某些同样大小的星系却在爆发式诞生恒星，由此迫使我们重新思考矮星系的演化过程。”
　　 团队成员、STScI的Anton Koekemoer补充道：“随着观测的深入，我们将发现更多的年轻星系，获得它们更多的恒星形成细节。” 安东（Anton）负责把所有的哈勃巡天数据转换为图像。
　　　　　　　　　　　 两个超深空巡天项目中发现的极端矮星系非常相似
　　 在哈勃第三代广域相机（WFC3）和高级巡天相机（ACS）图像中，CANDELS团队已经发现了69个此类年轻的矮星系。这些星系都来自以下两个巡天项目：大望远镜宇宙起源深空巡天南部场（GOODS-S）和英国红外望远镜深空巡天（UKIDSS）项目的子项目——UKIDSS超级深空场。
　　 根据观测，这些新发现的星系在90亿年前非常普遍。然而，新发现的矮星系何以如此之高的速率产出恒星，真是个谜。计算机模拟显示，小星系中的恒星诞生可能是间歇性的。气体冷却、坍缩形成恒星，接着恒星又彻底加热气体——比如超新星爆发将吹散气体。过了一段时间，气体又重新冷却并坍缩产生新一轮恒星暴发式诞生，如此循环。
　　 范o德o维尔说：“这些理论预言可能提供了解释新发现星系的恒星形成线索，因为观测到的星暴现象比理论模拟的强烈得多。”
　　 将在2020前发射的詹姆斯o韦伯红外望远镜，将能探测更早前宇宙中的暗星系，发现第一代恒星的辉光，从而提供这些星系化学组成的细节信息。
　　 弗格森总结道：“通过韦伯望远镜，我们可能看到更多的此类星系，也许还能见证原始星系最初的恒星形成过程。探查早期宇宙中的矮星系能帮助我们了解第一代恒星和星系的诞生。”
CANDELS超级深空场全景，超级大图
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星系碰撞是什么?星系常常被认为是很稳定的结构,但是从天文学的时间尺度来讲,和星球之间的碰撞一样,星系之间的碰撞在星系演变过程中也是司空见惯的现象.由于星系中物质的分布比较稀
星系碰撞是什么?星系常常被认为是很稳定的结构,但是从天文学的时间尺度来讲,和星球之间的碰撞一样,星系之间的碰撞在星系演变过程中也是司空见惯的现象.由于星系中物质的分布比较稀疏,所以星系碰撞并非一般意义上的碰撞,而是一种引力交互作用,碰撞的通常结果是两个星系的合并.星系碰撞在宇宙中相当普遍,也是星系演化的关键.但星系碰撞带来的不是只有毁灭,也有新生.……
据美国太空网报道,最新一项研究显示,星系之间的碰撞促进黑洞更加疯狂地吞噬气体和灰尘.该研究证实了之前天文学家们的猜测.
多年以来天文学家一直关注包含黑洞的一些类型的星系是如何吞噬气体和灰尘的,可科学家们仍不确信究竟是什么原因促使黑洞大量吞噬这些宇宙物质,目前最新射电观测数据将揭示其中的工作原理.
塞弗特星系是一种典型的活动星系核(AGN),通常认为该星系中心存在着超大质量黑洞,该星系是极端发亮活动星系核中的“轻度类型”,也叫做类星体或耀星体.科学家们猜测邻近星系的交互作用可能引发塞弗特星系中气体和灰尘的骚动,并将这些宇宙物质推向星系中巨大的黑洞.但是当科学家通过光学望远镜观测塞弗特星系中可见光时,该星系未显示出近距离遭遇其他星系的迹象.
目前,天文学家使用超大型干涉电波望远镜(VLA)通过射电光观测其中的宇宙物质,发现塞弗特星系主要部分确实是近期与邻近星系碰撞所形成的.与之对比,塞弗特星系之外的星系则很少存在此类交互现象.
从事该研究的台湾中央研究院天文学＆天体物理学协会(ASIAA)的唐亚文(音译)说,“这项对比清晰地显示星系近距离遭遇与星系内核黑洞活跃性之间的关联性,这是证实塞弗特星系中黑洞活跃性被激活的最佳证据,其他的提议的解释方法却很少显示塞弗特星系和非活动性星系之间的差异.”
超大型干涉电波望远镜通过观测氢原子喷射的射电波可进一步研究塞弗特星系中的氢气,塞弗特星系存在的氢气证实该星系通过与其他星系发生碰撞,其内部出现了被扰乱现象.ASIAA的杰里米·利姆说,“我们的观测结果显示氢气作为一种强大的工具揭示出星系中其他无形重力交互影响.这将使我们更好地理解这些宇宙星体,这可能是对塞弗特星系氢气最好、最广泛的天文学测量.”
这项最新研究帮助科学家更好地理解这种狂暴天文现象,其中的气体和灰尘盘绕浓密黑洞,最终被黑洞狼吞虎咽地吞噬.美国维吉尼亚大学研究生裴城宇(音译)说,“超大型干涉电波望远镜揭示了这些星系的神秘面纱,观看星系中的气体可清晰地显示它们能够将邻近的星系作为‘快餐小吃’,在其可见光中出现戏剧性对比变化.”(知识点梳理
大过程：形成期在宇宙发展到一定时期，宇宙中充满均匀的中性原子气体云，大体积气体云由于自身引力而不稳定造成塌缩。这样恒星便进入形成阶段。在塌缩开始阶段，气体云内部压力很微小，物质在自引力作用下加速向中心坠落。当物质的线度收缩了几个数量级后，情况就不同了，一方面，气体的有了剧烈的增加，另一方面，由于失去的引力位能部分的转化成热能，气体也有了很大的增加，气体的压力正比于它的密度与温度的乘积，因而在塌缩过程中，压力增长更快，这样，在气体内部很快形成一个足以与自引力相抗衡的压力场，这压力场最后制止引力塌缩，从而建立起一个新的力学平衡位形，称之为星坯。 　　星坯的力学平衡是靠内部压力梯度与自引力相抗衡造成的，而压力梯度的存在却依赖于内部温度的不均匀性（即星坯中心的温度要高于外围的温度），因此在热学上，这是一个不平衡的系统，热量将从中心逐渐地向外流出。这一热学上趋向平衡的自然倾向对力学起着削弱的作用。于是星坯必须缓慢的收缩，以其引力位能的降低来升高温度，从而来恢复力学平衡；同时也是以引力位能的降低，来提供星坯辐射所需的能量。这就是星坯演化的主要物理机制。稳定期主序星阶段在收缩过程中密度增加，我们知道ρ∝r-3，由式(4),rc∝r3/2,所以rc比 r减小的更快，收缩气云的一部分又达到新条件下的临界，小扰动可以造成新的局部塌缩。如此下去在一定的条件下，大块气云收缩为一个凝聚体成为原恒星，原恒星吸附周围气云后继续收缩，表面温度不变，中心温度不断升高，引起温度、密度和气体成分的各种核反应。产生热能使气温升的极高，气体压力抵抗引力使原恒星稳定下来成为恒星，恒星的演化是从主序星开始的。
哈勃观测到两颗燃烧剧烈的超级恒星恒星的成份大部分是H和He，当温度达到104K以上，即粒子的平均热动能达1eV以上，氢原子通过热碰撞就充分的电离了（氢的电离能是13.6eV），在温度进一步升高后，等离子气体中氢核与氢核的碰撞就可能引起核反应。晚期主序后的演化由于恒星形成是它的主要成份是氢，而氢的点火温度又比其他元素都低，所以恒星演化的第一阶段总是氢的燃烧阶段，即主序阶段。在主序阶段，恒星内部维持着稳衡的压力分布和表面温度分布，所以在整个漫长的阶段，它的光度和表面温度都只有很小的变化。恒星在燃烧尽星核区的氢之后，就熄火，这时核心区主要是氦，它是燃烧的产物，外围区的物质主要是未经燃烧的氢，核心熄火后恒星失去了辐射的能源，它便要引力收缩是一个起关键作用的因素。一个核燃烧阶段的结束，表明恒星内各处温度都已低于在该处引起点火所需要的温度，引力收缩将使恒星内各处的温度升高，这实际上是寻找下一次核点火所需要的温度，引力收缩将使恒星内各处的温度全面的升高，主序后的引力收缩首先点着的不是核心区的氦（它的点火温度高的太多），而是核心与外围之间的氢壳，氢壳点火后，核心区处于高温状态，而仍没核能源，它将继续收缩。这时，由于核心区释放的引力位能和燃烧中的氢所释放的核能，都需要通过外围不燃烧的氢层必须剧烈地膨胀，即让介质辐射变得更透明。而氢层膨胀又使恒星的表面温度降低了，所以这是一个光度增加、半径增加、而表面变冷的过程，这个过程是恒星从主星序向红巨星过渡，过程进行到一定程度，氢区中心的温度将达到氢点火的温度，于是又过渡到一个新阶段--氦燃烧阶段。
整理教师:&&
举一反三（巩固练习，成绩显著提升，去）
根据问他()知识点分析，
试题“二十世纪二十年代，天文学家哈勃从星系光谱的观测中发现宇宙中所...”，相似的试题还有：
天文观测表明，几乎所有远处的恒星(或星系)都在以各自的速度远离我们而运动，离我们越远的星体，背离我们运动的速度(称为退行速度)越大；也就是说，宇宙在膨胀，不同星体的退行速度v和它们离我们的距离r成正比，即v=Hr，式中H为一恒量，称为哈勃常数，已由天文观测测定．为解释上述现象，有人提出一种理论，认为宇宙是从一个爆炸的大火球开始形成的，大爆炸后各星体即以各自不同的速度向外匀速运动，并设想我们就位于其中心．由上述理论和天文观测结果，可估算宇宙年龄T，其计算式为T=_____．根据近期观测，哈勃常数H=3×10-2m/(so光年)，由此估算宇宙的年龄约为_____年．
2011年诺贝尔物理奖授予佩尔马特等三位科学家，他们的获奖工作是“通过观测遥远的超新星，发现宇宙正在加速膨胀”．物理学家为了解释这一现象，提出了“暗能量”的概念．正是在暗能量的驱动下，宇宙出现了加速膨胀．宇宙中暗能量约占73%、约有23%是暗物质，我们能看到的、接触到的普通物质约占4%．暗能量和暗物质实质至今尚未清楚，但科学家找到了暗物质存在的间接证据，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，星系团要束缚住这些星系，它的质量应该是我们观测到质量的100倍以上，大量的观测分析证实了这一点．&关于上述事实及理论假说，下列结论你认为可能正确的是()
A.暗能量力的作用表现为斥力
B.暗物质力的作用表现为引力
C.从太阳系行星运动与星系团中的星系运动比较可知，宇宙中暗物质分布是均匀的
D.从太阳系行星运动与宇宙正在加速膨胀比较可知，宇宙中暗能量分布是不均匀的
在有“科学奥斯卡”之称的美国《科学》杂志2003年度世界科技大突破评选中，wulixue&中的“证明宇宙是由暗物质和暗能量‘主宰’”的观点名列榜首，成为当今科技突破中的头号热点．世界科技的发展显示，暗物质、暗能量正成为天体物理学研究的重点．宇宙的暗物质是不能直接观测到的东西，存在的依据来自于螺旋转的星系和星团，这些星系和星团以自身为中心高速旋转而没有分散开去，仅靠自身质量产生的引力远不足以把它们集合在一起的，一定存在暗物质，它的吸引力足以把这些旋转的星系牢牢抓住，根据对某一双星系统的光学测量确定该双星系统中每一个星体的质量都是M，两者相距L(L远大于星体的直径)，它们正围绕两者连线的中点做圆周运动．(1)若没有其他物质存在，试推断该双星系统的运动周期T．(2)若试验上观测到的运动周期为T’，且T’：T=1：\sqrt{N&}(N＞1)，为了解释观测周期T’和(3)中理论上推算的双星运动的周期T不同，目前有一种理论认为，在宇宙中可能存在一种用望远镜也观测不到的暗物质，作为一种简化模型，我们假定在以这两个星体连线为直径的球体内均匀分布着这种暗物质，而不考虑其他暗物质的影响，试根据这一模型和上述观测结果确定该星系间这种暗物质的密度．每日一天文图，史蒂芬五重星系，位于飞马座内，这是人类发现的第一个致密星系团，距离地球最近的星系NGC 7320C，约有四千万光年远，但并不是互扰星系的成员，其他四个互扰星系分别为NGC A、7318B、和 7317，左上角的星系NGC 7320C 远远地望着它们
发布： 16:36:55作者：NASA中文
每日一天文图，史蒂芬五重星系，位于飞马座内，这是人类发现的第一个致密星系团，距离地球最近的星系NGC 7320C，约有四千万光年远，但并不是互扰星系的成员，其他四个互扰星系分别为NGC A、7318B、和 7317，左上角的星系NGC 7320C 远远地望着它们。
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