早期宇宙原初气体的探测证据

(按照我这的时间今天应该还处在光棍节的喜悦气氛当中,不过由于工作太忙,无暇搞庆祝活动了,但是写Astroleaks还是不能落下的,正好昨天有一篇新出炉的,题目很扎眼的Science文章,讲的是利用星系际气体的吸收线探测到了异常贫金属的,接近原初状态的气体,简单的介绍给大家一下吧)

文章:Detection of Pristine Gas Two Billion Years after the Big Bang

  • 作者:Michele Fumagalli, John M. O’Meara, J. Xavier Prochaska
  • 论文索引:astro-ph/1110.2334
  • 编辑整理:南京大学 黄崧

文章背景:

按照现有的宇宙模型,在大爆炸发生后的一段时间内,只有几种元素和他们的同位素能够形成,这段时间内的核合成被称为大爆炸核合成(BBN),其中包括了氘,氚,氦,和锂7,这些元素或者同位素和氢元素的比例对宇宙中的重子物质密度非常敏感,所以其原初丰度实际上成为了一个有效的宇宙学模型的限制工具;此外,BBN也明确的指出了其他的金属元素在宇宙早期几乎不存在,要想让这些元素的丰度达到氢元素的100亿分之一,必须要等到恒星形成之后。

对于高红移处气体金属中金属丰度的研究,或者说寻找特定红移处最贫金属的气体介质不仅对于研究星际介质,星系际介质的增丰过程,星系的形成演化都有重要的意义;目前最常用的研究这些气体的方法,是通过高红移类星体视线方向上观测到的前景星系际气体产生的吸收线结构来进行研究,并且已经产生了一些很有意思的结果,其中最重要的可能就是对于氘相对丰度的测量,目前已经有的测量结果log(D/H) =−4.55\pm0.03当转化为宇宙重子物质密度的时候,和CMB功率谱给出的结果出奇的一致,这个结果已经成为了对现有的宇宙模型的一个重要佐证。不过这些观测中的另一个很有意思的现象是,除了氘之外,这些系统中都探测到了更重的金属元素,而且其丰度都远远超过了BBN所预测的丰度,意味着这些介质都被星系的恒星形成过程产生的金属”污染“过了,虽然这样的结果可以对星系的金属丰度增丰,以及这些富金属的气体通过什么样的物理过程到达星系际介质中等问题进行限制,但也意味着,我们还没有真正的找到存在于星系际介质中的原初气体,目前已知的最贫金属的天体环境来自于银河系恒星晕中的小质量极贫金属恒星,我们的Astroleaks也对这样的工作做过介绍,不过这些恒星中也都有一些奇怪的金属丰度特征,显示出这些恒星都不是真实的原初气体形成的恒星;那么我们到底能不能探测到这样的气体呢?本文的工作提供了很不错的证据。


fig1

图一:宇宙中不同物质密度的天体物理环境和其中探测到的金属丰度范围的关系,本文探测到的两个吸收气体系统也在其中。

主要工作:

本文的主要结论其实都来自于两个红移在3附近的吸收气体云团的探测,这些云团都位于背景的QSO的视线方向(SDSS J113418.96+574204.6 (zem = 3.522) and Q0956 + 122 (zem = 3.297)),并且在低分辨的SDSS光谱观测中都找到了大量吸收气体存在的证据,包括各种HI吸收结构,比如Lyman Limit System(LLS),不过本文工作更进一步,利用位于Keck I望远镜上的HIRES高分辨率光谱仪对这两个QSO进行了更仔细的观测。在背景QSO红移的蓝段,通过对光谱的分析(在我个人看来,处理这些光谱数据真的是很厉害的手段),可以把最显著的HI吸收云团产生的Lyman吸收线认证出来,并且测量其相对于QSO的速度,再进一步,由于我们已经知道了这些氢元素的吸收线周围的我们感兴趣的金属吸收线的波长,在每一个吸收系统的速度上,可以在高分辨光谱中搜索对应的金属吸收线,而本文的最主要的结果就是—什么都没找到!如下面两张图所示,在每个HI吸收系统对应的系统速度处,几条最常见的金属线都神奇的消失了:


fig1

图二:QSO J1134+5742的Keck HIRES光谱


fig1

图三:QSO Q0956 + 122的Keck HIRES光谱

的确,在这两个系统中,除了来自氢元素的吸收线,能探测到的就只有来自氘的D I Lyα和Lyβ线,这也给了我们在金属丰度完全不同的星系际环境中测量D的相对丰度,结果很让人放心的是,结果再次证明了现有的BB模型还是很靠谱的;不过这个结果显然比不上金属线的集体示踪来的惊人,根据这些金属线位置没有探测的结果,可以给出金属丰度的上限的估计,结论就是这些吸收气体的金属丰度接近甚至低于太阳金属丰度的万分之一;这个发现到底有什么特别让人惊讶或者高兴的地方吗?可能要从两个角度来看,第一,关于这些星系际气体的起源,根据现有的数值模拟结果,这些HI吸收气体可能来自于向星系下落,或者从星系中抛出的气体云团,如果是后者的话,根据模型可以给出对应红移处这些云团被恒星形成产生的金属污染的程度,大致的范围应该在0.1-1太阳金属丰度,比本文中发现的系统的估计要高了几个数量级,简单的说,在这些吸收气体的对应密度overdensity上,本文的两个吸收系统真的是出奇的贫金属;此外,考虑到这两个系统所处的红移并不是那么的高,红移等于3的地方已经是宇宙形成后大约20亿年的时候了,而根据目前对于第一代PopIII恒星的研究,万分之一金属丰度就是这些原初星族所能提供的金属丰度增丰程度,换句话说,似乎意味着这些气体在宇宙最早期的恒星增丰过程之后就再也没有被”污染“过,如果属实的话,本文的观测似乎也可以为第一代恒星的增丰程度提供了很好的观测限制。虽然这是目前仅有的两个如此贫金属的吸收气体系统的探测,但至少说明了一个事实,就是星系通过恒星形成产生的反馈过程”污染“周围介质,尤其是星系际介质的过程是非常不均匀的,对于星系演化模型其实也给出了更好的限制,对未来的观测也指出了新的方向。


fig1

图四:金属丰度和原初氘丰度的关系,图中也分别给出了BBN模型预测的范围和CMB功率谱给出的观测限制


fig1

图五:不同的天体物理介质中的特征金属丰度增丰过程

    分享到:

2 Replies to “早期宇宙原初气体的探测证据”

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.