小型星系的逆袭：“星星之火”照亮早期宇宙[2P]

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近日调查宇宙大爆炸短暂之后的行为的天文学家们有了一项令人惊讶的发现：早期宇宙的特性是由最小的星系所决定的。这项研究被发表在英国皇家天文学会月刊上。

早期宇宙的特性是由最小的星系所决定的

在宇宙大爆炸之后，宇宙被电离：由氢组成的正常物质的正电质子被剥离带负电的电子。最终宇宙逐渐冷却使得电子和质子结合形成中性氢。冷却的气体将最终形成宇宙第一批恒星，但是在几百万年的时间内宇宙没有任何恒星。因此天文学家无法利用传统望远镜观测在这段“黑暗时期”里宇宙是如何进化的。在“再电离时代”新形成的恒星和星系再次电离宇宙才重新产生了光。

天文学家认为宇宙大爆炸后10亿年整个宇宙就被完全电离。大约在宇宙出生后的2亿年，恒星产生的紫外线辐射开始将中性氢分离成质子和电子，大概在8亿年后这个分离过程才充斥整个宇宙，但在120亿年后的现在，宇宙仍处于电离状态。

然而，究竟哪种星系在这个过程中起着最重要的作用，天文学家们众说纷纭。大多数关注大型星系，由美国佐治亚理工学院和圣地牙哥超级电脑中心的研究人员进行的最新研究暗示了科学家们应该关注于更小的星系。

科学家们利用计算机模拟展示了早期宇宙里最昏暗和最小的星系非常重要。这些小星系——尽管质量比银河系的小1000倍，大小比银河系小30倍——在这个过程中贡献了大约30%的紫外线光。其它研究则忽略了这些小的“矮”星系，因为据称它们无法形成恒星，这主要是因为临近较大星系发出的紫外线光太过强大以至于压抑了这些小邻居，

“事实证明这些矮星系能够形成恒星，且往往在一次爆发中（即可形成），大约发生在宇宙大爆炸后5亿年。”带领这项研究的佐治亚理工学院的约翰·怀斯（John Wise）教授这样说道。“这些星系虽然很小，但数量庞大，因此组成了这个再电离过程中的大部分紫外线光。”

研究小组对星系形成过程中气体里的紫外线恒星光的流动进行了建模，它们发现小星系（质量大约为太阳质量的1000万倍）里逃逸至星系间太空的电离质子的比率大约为50%，而较大星系里（质量大约为太阳质量的3亿倍）里的同等比率只有5%。小星系的较大比率，加上这类星系的大量存在，证实为什么最昏暗的星系在再电离过程中起着重要作用的原因。

“紫外线光逃逸星系非常困难，因为它们之间充满了密集的气体，” 怀斯说道。“在小型星系里，恒星之间的气体非常少，紫外线光没有被迅速的吸收，这使得它们更容易逃离。此外，超新星的爆炸也打开了新的通道，使得小星系里的紫外线光能够更简单的逃离。”

研究小组的模拟结果将提供一个渐进的时间线，追踪几十亿年的时间内再电离的进展。在宇宙大爆炸的3亿年后，宇宙的电离程度为20%，5.5亿年后的电离程度为50%，模拟的宇宙在8.6亿年后才完全电离。

“这样小的星系对再电离的贡献如此巨大，这真是个意外，”研究合作作者、美国加州大学圣地亚哥分校的迈克尔·诺曼(Michael Norman)教授这样说道。“超级电脑再次为我们展示了某些新的意外惊喜，这应该作为有关再电离未来研究的因素纳入考虑。”预计下一代望远镜可运作后研究小组将获得有关这些昏暗星系的更多信息。例如预计2018年发射的美国宇航局詹姆斯韦伯太空望远镜将能够观测到这类星系。