科学家首次发现化石星系中的一氧化碳气体

摘要: 　　“化石”星系诞生于宇宙极早期，随后极少演化，对这些星系的学习将帮助理解宇宙第一代恒星和星系的形成。12月9日，自然-通讯报道了中国科学院紫金山天文台学习员高煜与南京大学教授施勇团队合作在“化石”星系中 ...

　　“化石”星系诞生于宇宙极早期，随后极少演化，对这些星系的学习将帮助理解宇宙第一代恒星和星系的形成。12月9日，自然-通讯报道了中国科学院紫金山天文台学习员高煜与南京大学教授施勇团队合作在“化石”星系中首次发现了一氧化碳气体，这提供了表明化石星系中存在分子气体的直接证据。
　　银河系中的恒星包括太阳是由分子气体云在引力作用下向内塌缩形成。不同于电离气体以及原子气体，分子气体可以冷却到非常低的温度（20 K），随着温度的降低气体逐渐收缩、内部压强小于气体本身的万有引力，最终形成高密度的气体球——恒星。天文观测指出“化石”星系中当前也有新恒星正在形成。这些恒星是否也形成于分子气体，还是如某些理论模型认为的化石星系中的恒星其实形成于原子气体？这问题直接关系到早期宇宙恒星的形成，然而却是十几年来悬而未决的科学疑难。
　　寻找分子气体存在的证据需要探测一氧化碳气体。尽管分子气体的主要成分是氢分子和氦原子，冷氢分子和氦原子没有电磁辐射可供天文观测，一氧化碳气体是继氢分子和氦原子之后丰度排名第三的分子气体，其分子谱线发射主要在毫米波段。过去十几年来国际上好几个团组已经使用不同望远镜（IRAM 30米，PdBI，CARMA和ALMA）来搜寻化石星系中的一氧化碳发射但都没有成功。施勇团队与高煜等从2014年开始一氧化碳气体的搜寻工作，于2015年在美国天体物理学报发表了首次搜寻工作，尽管灵敏度比之前提高好几倍，但也没成功。今年3月，学习团队申请获得位于西班牙的IRAM 30米毫米波望远镜60个小时的观测时间，成功在一个化石星系中探测到一氧化碳气体。
　　下图是所观测的化石星系DDO70，其金属丰度只有太阳金属丰度的7%，满足传统定义化石星系的标准（小于10%太阳金属丰度）。本次观测将近10天，受益于寒冷天气，观测条件非常好，最终探测到一氧化碳分子转动能级2-1的辐射（光谱见下图右下角）。这是国际上首次在化石星系中探测到一氧化碳气体，提供了直接证据表明化石星系存在冷分子气体，支持化石星系中的恒星也形成于分子气体，而不是一些理论模型认为的形成于原子气体。
　　该论文的作者包括南京大学教授施勇（第一和通讯作者）、中科院上海天文台学习员王均智，英国爱丁堡大学博士张智昱、中科院紫金山天文台学习员高煜、天津师范大学教授郝彩娜和夏晓阳，以及南京大学教授顾秋生。该工作得到国家自然科学基金、科技部、江苏省科学基金以及中科院的支持。
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