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                    客觀日本

                    探索鐵的起源,東京大學成功推算出100億年前宇宙中的鐵的豐度

                    2020年12月10日 海洋宇宙

                    本文根據東京大學成果發布資料編譯整理而成

                    以東京大學的鮫島寬明特任助教為中心的研究團隊在歐洲南方天文臺(ESO)保有的智利共和國的新技術望遠鏡上,配備了東京大學與京都產業大學共同開發的近紅外高分散光譜儀WINERED,對約100億光年之外的6個類星體進行了光譜觀測。然后根據獲得的光譜上的發射線強度推測了鐵和鎂的豐度比,發現與宇宙化學演化的理論模型一致。

                    鐵是日常生活中常見的重要金屬,在歷史上曾以鐵器的形式為人類文明的發展做出了巨大貢獻,還負責在體內生成運載氧氣的血紅蛋白,與我們有著密不可分的關系。關于其起源,研究認為,鐵是隨著恒星內部的核聚變反應產生的,在恒星末期發生的超新星爆炸中散落到太空里,之后以氣體的形式重新聚集起來,形成了地球。因此,回顧宇宙的歷史可以預測,包括鐵在內的金屬在過去的宇宙中應該比現在少。另外,通過追溯各種金屬的豐度在宇宙的歷史中如何變化,可以間接調查作為金屬生成源頭的恒星的演化史。

                    以往天文學為調查宇宙的化學演化,大都市觀察如同化石的古老恒星。但利用古老恒星的方法也存在課題,比如只能根據金屬量的多少間接推算,以及通過我們生活的星系內的恒星獲得的結果推測在其他星系乃至整個宇宙是否成立等。

                    作為獨立的方法,可以采用觀測人類生活的星系之外的遙遠天體的方法。因為光速是有限的,所以觀測100億光年之外的天體可以直接調查100億年前該天體發出的光。觀測的天體是宇宙中最明亮的類星體。對類星體進行光譜觀測獲得的光譜上會出現源自各種金屬的發射線,調查發射線就能推算出存在的金屬種類和豐度。已知類星體在紫外區域有很多發射線,但由于距離非常遙遠,受紅移現象的影響,發射線是在近紅外區域觀測到的。此次,研究團隊在歐洲南方天文臺(ESO)保有的智利共和國的新技術望遠鏡上,配備了東京大學與京都產業大學共同開發的近紅外高分散光譜儀WINERED,對約100億光年之外的6個類星體進行了光譜觀測。在獲得的光譜(圖1)的紅外區域可以看到鐵和鎂的發射線。

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                    圖1:距離地球約100億光年的類星體J1142+2654的光譜。把利用WINERED獲得的紅外光譜和利用其他望遠鏡(史隆數位巡天)獲得的可見光光譜拼在了一起。在遙遠的天體中,鐵和鎂的發射線因為紅移現象移到了近紅外區域,因此需要進行紅外觀測。不同于呈現山形的鎂發射線,鐵的發射線比較平坦,這是因為很多發射線混合在一起。

                    以往利用類星體進行的研究僅限于根據光譜上的發射線強度比進行定性討論,而本次研究的優點是,可以通過模擬氣體放射發射線來推算豐度比,并與宇宙化學演化的模型計算進行定量比較。據該研究的先行研究報告,通過觀測更近一些的類星體的可見光推算的鐵和鎂的豐度比與理論預測結果一致,而此次的研究表明,該結果在更早的宇宙中也成立(圖2)。

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                    圖2:根據對應的宇宙年齡繪制了鎂和鐵的豐度比。曲線是根據聯星系統(鐵的主要生成源頭)壽命的三種可能的情況計算時的理論預測。本次研究推算了宇宙年齡約為24億年時的鎂和鐵的豐度比,確認與理論預測結果一致。TAO計劃可以對宇宙剛剛誕生后的時代(相當于該圖左側)進行調查。

                    論文信息
                    題目:Mg II and Fe II Fluxes of Luminous Quasars at z ~ 2.7 and Evaluation of the Baldwin Effect in the Flux-to-abundance Conversion Method for Quasars
                    期刊:The Astrophysical Journal
                    DOI:10.3847/1538-4357/abc33b
                    URL:iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abc33b

                    日語發布資料
                    編譯:JST客觀日本編輯部