Early Mini-Halos and Protogalaxies

早期的迷你光环和原星系

第一个星系是如何在小型暗物质“晕”中诞生的。

在我们今天看到的宏伟螺旋星系和巨型椭圆星系出现之前，宇宙诞生之初就存在着更小、更简单的结构。这些结构被称为 微型晕 和 原星系这些原始天体形成于暗物质的引力井中，为所有后续星系的演化奠定了基础。在本文中，我们将探索这些最早的晕是如何坍缩、聚集气体，并孕育出宇宙中第一批恒星和宇宙结构基石的。

1. 复合后的宇宙

1.1 进入黑暗时代

大约 38万年 大爆炸之后，宇宙冷却到足以让自由电子和质子结合成中性氢——这一里程碑被称为 重组光子不再从自由电子上散射，而是自由流动，创造了 宇宙微波背景辐射（CMB） 年轻的宇宙大部分时间处于黑暗之中。由于尚未形成恒星，这个时期被恰当地命名为 黑暗时代。

1.2 生长密度波动

尽管宇宙整体黑暗，但这一时期的宇宙包含 微小的密度波动——暴胀的残余——印刻在暗物质和普通（重子）物质中。随着时间的推移，引力放大了这些波动，导致密度更大的区域吸收更多质量。最终，小的暗物质团块变成了 引力束缚，创造了第一个光晕。那些周围有特征质量的 105–106 米⊙ 经常被称为 微型晕。

2. 暗物质作为框架

2.1 暗物质为何重要

在现代宇宙学中， 暗物质 暗物质的质量比普通重子物质大约高出五倍。它不发光，主要通过引力相互作用。由于暗物质不像重子那样感受到辐射压力，它更早开始坍缩，形成了 脚手架—或重力势井—气体随后落入其中。

2.2 从小到大（层级增长）

按标准分层构建表单 ΛCDM 模型：

  1. 小晕首先崩溃，合并形成越来越大的系统。
  2. 合并 形成更大、更热的光晕，能够容纳更广泛的恒星形成。

因此，小晕代表了 第一级 在通往更宏伟结构的阶梯上，包括矮星系、更大的星系和星系团。

3. 冷却与坍缩：小晕中的气体

3.1 冷却需求

对于气体（在早期阶段主要是氢和氦）来说，要凝聚并形成恒星，它必须 凉爽的 有效地。如果气体过热，其内部压力可以抵抗引力坍缩。在早期宇宙中—— 无金属 并且锂含量极低，冷却通道有限。主冷却剂通常 分子氢（H2），在原始气体的特定条件下形成。

3.2 分子氢：小晕坍缩的关键

  • 形成机制：部分电离后剩余的自由电子有助于催化 H 的产生2。
  • 低温冷却：H2 旋转振动跃迁使气体散发热量，使其温度降低到几百开尔文。
  • 碎裂成致密核心：随着气体冷却，它更深地沉入暗物质晕的引力势中，形成了致密的空穴——原恒星核心—最终诞生地 第三星族恒星。

4. 第一批恒星的诞生（第三星族）

4.1 原始恒星形成

由于之前没有恒星群，微晕中的气体几乎不含较重的元素（天体物理学中通常称为“金属”）。在以下条件下：

  • 高质量范围：由于冷却较弱且碎裂较少，第一批恒星的质量可能非常大（数十到数百个太阳质量）。
  • 强烈的紫外线辐射：大质量恒星产生强大的紫外线通量，能够电离周围的氢，从而影响晕中进一步的恒星形成。

4.2 大质量恒星的反馈

大质量第三星族恒星通常只存活几百万年，然后就终结了 超新星 甚至是对不稳定超新星（如果它们超过~140 M⊙）。这些事件的能量产生了两个主要后果：

  1. 天然气中断：冲击波加热并有时会将小晕中的气体排出，从而抑制局部额外的恒星形成。
  2. 化学富集：超新星喷出物将较重的元素（碳、氧、铁）注入周围介质。即使这些金属的含量很少，也会极大地影响下一代恒星的形成，使其冷却效率更高，并形成质量更低的恒星。

5. 原星系：合并与成长

5.1 超越迷你光环

随着时间的推移，小晕 合并 或吸积额外的质量来形成更大的结构，称为 原星系。这些质量为 107–108 米⊙ 或更多和更高的维里温度（~104 K），允许 原子氢冷却。因此，原星系是恒星形成更为丰富的场所：

  • 更复杂的内部动态：随着晕质量的增加，气体流动、旋转支撑和反馈效应变得更加复杂。
  • 早期银河盘的可能形成：在某些情况下，气体自旋导致扁平、旋转的原盘，预示着当今星系中看到的螺旋结构。

5.2 再电离和更大尺度撞击

原星系在其新形成的恒星群的帮助下，贡献了大量的电离辐射，帮助将中性星系际介质转变为 电离 一——这个过程被称为 再电离这一阶段跨越的红移大约为 z ≈ 6-10（可能更高），对于塑造后来星系成长的大规模环境至关重要。

6. 观测迷你光晕和原星系

6.1 高红移的挑战

根据定义，这些最早的结构形成于 非常高的红移 （z > 10），对应大爆炸后仅几亿年。它们的光是：

  • 头晕的
  • 高度红移 进入红外或更长的波长
  • 瞬态因为它们在强烈的反馈下迅速进化

因此，即使使用下一代仪器，直接观察单个微晕仍然很困难。

6.2 间接线索

  1. 当地的“化石”：本星系群中的超暗矮星系可能是幸存的残余物，或者具有指向早期微晕起源的化学特征。
  2. 贫金属晕星：一些银河系晕恒星表现出低金属度和特殊的丰度模式，可能反映了微晕环境中第三星族超新星的富集。
  3. 21厘米线观测：LOFAR、HERA 和未来的 SKA 等实验旨在通过 21 厘米线绘制中性氢图，从而可能揭示黑暗时代和宇宙黎明时期小尺度结构的分布。

6.3 JWST 和未来望远镜的作用

这 詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST） 旨在探测高红移的暗淡红外源，从而能够更近距离地观察可能仅比微晕更进一步的早期星系。虽然完全孤立的微晕可能仍然遥不可及，但詹姆斯·韦伯太空望远镜的数据将揭示稍大一些的晕和原星系的行为方式，从而揭示从极小系统到更成熟系统的转变过程。

7. 最先进的模拟

7.1 N体和流体动力学方法

为了详细了解微晕，研究人员结合 N体 模拟（追踪暗物质的引力坍缩） 流体动力学 （模拟气体物理：冷却、恒星形成、反馈）。这些模拟表明：

  • 第一个晕在 z ∼ 20–30 处坍塌，与宇宙微波背景约束一致。
  • 强大的反馈循环 一旦一颗或两颗大质量恒星形成，就会发生这种现象，从而影响附近光晕中的恒星形成。

7.2 持续的挑战

尽管计算能力有了巨大的飞跃，但微晕模拟仍然需要 极高的分辨率 准确捕捉分子氢动力学、恒星反馈和碎裂的可能性。分辨率或反馈方案的细微差异可能会显著改变结果——例如恒星形成效率或富集程度。

8. 迷你光晕和原星系的宇宙重要性

  1. 银河成长基金会
    • 这些微小的先驱者引入了第一轮化学浓缩，为后来更大的晕中更有效的恒星形成铺平了道路。
  2. 早期光源
    • 通过其高质量的第三星族恒星，微晕为电离光子预算做出了贡献，从而促进了宇宙的再电离。
  3. 复杂性的种子
    • 暗物质势阱、气体冷却和恒星反馈之间的相互作用建立了在更大尺度上重复的模式，最终形成了星系团和超星系团。

9. 结论

迷你晕 和 原星系 标志着我们在现代宇宙中观测到的复杂星系的初步形成。这些小晕是在复合后形成的，并在氢分子冷却的滋养下，孕育了 第一颗星星 （第三星族）并引发了早期的化学富集。随着时间的推移，合并的晕形成了原星系，引入了更复杂的恒星形成环境，并推动了宇宙的再电离。

虽然直接观察这些短暂的结构仍然是一个巨大的挑战，但高分辨率 模拟， 化学丰度研究以及雄心勃勃的望远镜，例如 詹姆斯韦伯太空望远镜 以及未来 斯卡 正在慢慢揭开宇宙形成时期的面纱。因此，理解微晕是理解宇宙如何变得明亮并演变成我们今天所见的浩瀚宇宙网的关键。

参考文献及延伸阅读

  1. 布罗姆，V.， &放大器;吉田，N.（2011）。 “第一星系。” 天文学和天体物理学年度评论， 49，373–407。
  2. Abel，T.，Bryan，GL， & Norman，ML（2002）。 “宇宙第一颗恒星的形成。” 科学， 295，93–98。
  3. Greif，TH（2015）。& “第一批恒星和星系的形成。” 计算天体物理学和宇宙学， 2，3.
  4. 吉田，N.，Omukai，K.，赫恩奎斯特，L.， & Abel，T.（2006）。 “ΛCDM 宇宙中原始恒星的形成。” 《天体物理学杂志》， 652，6–25。
  5. Chiaki, G. 等人（2019 年）。 “无金属环境中超新星冲击引发极度缺乏金属的恒星的形成。” 皇家天文学会月刊， 483，3938–3955。

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