从129亿年前开始银河就在旋转 ——艾玛望远镜和天然镜头捕捉到的宇宙初期的小银河及其内部—

从129亿年前开始银河就在旋转 ——艾玛望远镜和天然镜头捕捉到的宇宙初期的小银河及其内部—

通过使用艾玛望远镜的观测，发现在大爆炸后9亿年的宇宙中，发现了质量只有银河系1/100的小银河，并且这个银河由旋转支撑着。 这次是第一次发现，在如此年轻时代的宇宙中，如此小的银河被旋转支撑着。 这多亏了位于这个小银河前面的银河大集团(银河团)的重力使光放大的“重力透镜效果”。 可以认为宇宙初期有很多至今为止的观测无法捕捉到的黑暗且小银河，但是这次的研究是第一次切入这样的“普遍银河”的样子，用前所未有的分辨率进行描绘。

哈勃太空望远镜拍摄的银河团RXCJ0600-2007的图像上，用红色合成了用艾玛望远镜观测到的129亿光年对方银河RXCJ0600-z6的重力透镜像的图像。 根据银河团的重力透镜效果，RXCJ0600-z6的像被放大，分成3个以上来看。[信用:alma(ESO/naoj/nro)、藤本等人。，美国航天局/欧空局

宇宙在138亿年前由“大爆炸”诞生，据说在那几亿年后第一个小银河开始形成。 银河中诞生了许多星星，又经过银河之间的碰撞而成长起来。 但是，由于小银河星星和气体都很少很暗，用以往的观测很难进行调查。 迄今为止也有过宇宙诞生十几亿年后银河的观测实绩，但主要以观测大而明亮的银河为主。 但是，大银河很难说是宇宙初期银河的一般模样，要弄清更暗、数量更多的一般银河的样子，是捕捉宇宙初期银河进化整体形象不可缺少的。 为了研究这样黑暗的银河，实施了利用艾玛望远镜寻找多个被重力透镜效果放大的宇宙初期银河的大规模扫天观测计划( 阿尔玛透镜群调查:ALCS )。 重力透镜是指从遥远的银河发出的本来不应该到达的光，由于行进途中的大质量天体的重力而弯曲到达地球的现象。 由于重力的作用就像透镜一样，所以被称为重力透镜。 通过重力透镜，可以看到远处天体的光增光、看起来像多个像、或者天体的样子被放大。 也就是说，可以说是漂浮在宇宙空间的“天然望远镜”。 ALCS的研究小组执行了将非常长的95小时投入观测的大规模观测程序，作为艾玛望远镜的观测，观测了引起重力透镜的银河团的33个中心区域。 其中，兔子座方向的被称为RXCJ0600-2007的星团的质量是太阳的1000兆个。 研究小组发现了一个受到这个巨大星系团制造的引力透镜效应的远方星系。 艾玛望远镜检测到了这个远方银河放出的尘埃以及碳离子的光。 结合双子星望远镜的观测数据，判断出这道光是129亿年前从这个银河发出的[1]。 根据艾玛望远镜的观测数据，发现被命名为RXCJ0600-z6的这个银河像，根据重力透镜效果被分为3个以上。 进一步详细分析数据后，发现这个银河跨越了重力透镜增光率最大的地方(临界线)。 因此，RXCJ0600-z6的某个地方被重力镜头放大了约160倍。 通过精密测量产生重力透镜效果的星系团的质量分布，可以恢复重力透镜效果，恢复放大后的天体原来的样子。 研究小组通过将拍摄银河团的哈勃太空望远镜的图像、欧洲南天文台巨大望远镜VLT的光谱数据、以及能够精密计算重力透镜效果的理论模型组合，成功恢复了远方银河RXCJ0600-z6的实际样子。 据此可知，该银河的总质量约为太阳的20亿~30亿倍左右。 它是我们居住的银河系的约1/100这么小。 并且，用约1000光年的分辨率描绘了这个银河的内部结构。 这是与银河中作为恒星形成母体的星际物质集合体“巨大分子云复合体”相对应的尺度，这是第一次以如此高的分辨率描绘出宇宙诞生不到10亿年的时期的银河结构。

反向计算银河团产生的重力透镜效果，复原后的RXCJ0600-z6的实际样子。 用红色等高线表示艾玛望远镜捕捉到的碳离子发出的电波的扩展，用蓝色等高线表示哈勃太空望远镜捕捉到的光的扩展。 由于重力透镜增光率最大的地方(临界线)通过银河主体的左侧，因此该部分被进一步放大(左上的放大图)。信用:alma(ESO/naoj/nro)、藤本等人。，美国航天局/欧空局

由于宇宙初期存在的银河大多很小很暗，即使使用地面和宇宙中最大的望远镜也很难调查其内部结构。 但是，由于来自RXCJ0600-z6的光通过重力透镜大幅增加，因此对调查典型的婴儿银河的内部结构和性质来说非常合适。”英国剑桥大学的尼古拉斯·拉波尔特评论道。 刚诞生之后的银河是什么样的构造，在理论上和观测上都成为了很大的讨论。 过去，人们认为早期星系中包含的气体是随机运动的，不同于目前成熟的、有序旋转的涡旋星系。 与此相对，艾玛望远镜发现了几个旋转的年轻银河，对以往的理论框架提出了疑问[2]，但这些与这次的RXCJ0600-z6相比，是数量级明亮(较大)的银河们。 在宇宙诞生后9亿年这么早的时代，这是第一次明确RXCJ0600-z6左右的小银河由旋转支撑。 虽然RXCJ-0600-z6只是一个例子，但它表明了初期宇宙中普遍存在的小银河在旋转，可以说是迫使银河形成理论进一步重新考虑的重要结果。 担任ALCS研究小组代表的东京大学教授河野孝太郎说:“这次的结果首次表明，能够直接测量质量如此小、黑暗的初期宇宙银河的内部运动并与理论进行比较，这一点具有非常重大的意义。 ”。 位于丹麦的尼尔斯·玻尔研究所的藤本征史说:“在RXCJ0600-z6上重力透镜的增光率非常高，也提高了我们对今后研究的期待。 已确定今年秋天将迎来发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜( JWST )也将观测到该银河。 在艾玛可以看到银河中冰冷的气体和尘埃的样子，在JWST中可以调查星星的分布、年轻星星诞生的现场、电离出的热气的剧烈运动。 我们计划通过结合艾玛和JWST的进一步观测，来揭示星星和包围它的多层星系的结构和运动情况。 另外，口径30米望远镜TMT完成后，也有可能检测出银河内部的星团，甚至各个星星。 此前同样有过使用重力透镜观测约95亿光年之外的星球的例子，这次的研究有可能将它一下子推进到宇宙诞生后不足10亿年的时代。 ”

论文信息 该观测结果由sei Ji Fujimoto et al .“alma lensing cluster survey:bright [ CII ] 158 μm线从a multiply imaged su B-l * 作为Galaxy at z = 6.0719”，在美国天体物理学专业杂志《天体物理学期刊》上， 另外，作为Nicolas laporte et al .“alma lensing cluster survey:a strongly lensed multiply imaged dusty system at z”被英国皇家天文学会杂志授予2021年4月22日的学位 本研究由文部科学省世界顶级研究基地项目、日本学术振兴会科学研究费补助金( No. JP17H06130、jp18k 03693、17h 01114、19h 00697、 20H00180 )、国立天文台ALMA联合科学研究事业( 2017-06B )、欧盟研究联合会( ERC )基金会基金项目纲要( project context，grarage ) 681627 -构建)、欧洲联盟2020检索和迁移计划(授权协议编号. 669253 )、 从属研究基金从属DFF-7014-00017、国家研究基金( no.140 )、密钥基金、 安卓授权卡塔-基本AF B-170002、福特汽车规则( 1190818 and 1200495 )、米兰科学启动器I cn12 009、STFC ( ST / 在NSFC授权11933011、交换研究协会、挖掘和联盟基金会的帮助下进行。 另外在本研究中，关于其中的一部分得到了东京大学宇宙线研究所的共同利用研究项目的援助。 双子望远镜的观测是根据美国天文学大学联盟( AURA )和南格布本-古里安大学的协定实施的。

1 原本是波长156微米的红外线，随着宇宙膨胀，波长延长，变成波长1.1毫米的电波被检测出来。 据此，我们知道了这个银河的红移z=6.07。 以此为基础，用宇宙论参数( H0=67.3km/s/Mpc，Ωm=0.315，Λ=0.685: Planck 2013 Results )计算光行距离(光前进的距离)，则为129亿光年。 关于距离的计算，详情请也参阅“关于遥远天体的距离”。 2 艾玛望远镜利用重力透镜在约124亿年前的宇宙中发现了大小类似银河系的旋转银河(参考: 2020年8月13日发表的观测成果“艾玛望远镜，意外地发现了温顺的婴儿银河”)。 另外，他们还在没有重力透镜的情况下发现了约124亿年前宇宙中存在的旋转银河(参考: 2020年5月21日发表的观测成果“迫使人们重新思考银河形成理论的宇宙初期旋转银河”)。