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你知道宇宙的大尺度结构是怎么得到的吗?

天文在线

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2021-08-04 10:33:57

简介:天文学家首次获得了宇宙网的大规模图像——这是一个由暗物质和氢气组成的令人难以置信的古老结构,宇宙中的星系就是在这个结构上形成的。

天文学家于近期首次得到了宇宙网状结构的高清图像,那是由暗物质和氢气构成的交织结构,也是星系的诞生之地。这些物质是如此遥远且极其暗淡,导致科学家们调用了世界上能力最强的望远镜和照相机,才得到能够揭示宇宙结构的图像。

在13.8亿年前,宇宙形成于一次剧烈的大爆发过程中,这很像一次爆炸,只不过是空间自身的爆炸,而非我们日常看到的发生在空间中的爆炸,也就是说,这次爆炸创造了空间本身!在宇宙大爆炸所创造的空间中充满了物质和能量,它们的分布并不均匀。有一些地方的物质要比其它地方稍微多一点点。这些更高或者更低密度的区域之差别非常小,一个典型的高密度区域可能只是比它邻近区域要高10万分之一,但这已经足够我们用来建立今天我们所见的宇宙结构。

这些更高密度的区域有足够的引力来对抗宇宙的扩张,事实上它们是在收缩,我们推测是由于暗物质(不反射光线也不会发出光线却具有质量和引力的奇特物质)在吸引着它周围的物质,然后形成又长又细的细丝结构,就好像一张大网。正常的物质(构成我们身体的物质)会被吸向这些细丝,直至与其连接起来。物质在细丝上由于引力而流动、堆积并形成星系、星系团、甚至更巨大的超级星系团、以及星系团构成的集群,这也是目前已知宇宙的最大结构了。

而所有的这些都来自于空间结构中的小小的“波动”!

问题在于如何才能看到这些原始结构 - 这些形成宇宙网状结构的细丝。它们本来充斥着氢气和热量,但那是在很久以前了,要知道它们发出的光线花了130亿年才到达我们。它们很暗淡,但是对它们的探测已经取得了一些进展。

例如,我们可以通过类星体(位于超亮星系中心,超大质量黑洞在向内吸引物质时向外辐射的现象)来找到它们。当类星体发出的光线穿过宇宙早期形成的氢气时,有一部分光线会被吸收掉,这种吸收特征是可以被我们所观测到的。但这只是告诉我们这些氢气在宇宙中的一个点位置,即使通过上百颗类星体也不过是得到很少量的一些点位置,远不足以确定这些氢气的分布位置。

有一些气体也会产生辐射,但是通常只是在明亮星系周围可以被看到,因此这种探测方法仍然是局限性很大的方法。而天文学家需要的是这种原始氢气在宇宙中的一张分布图,来描述整个宇宙。

天文学家如何解决这个问题呢?几年前,天文学家将地面的8.2米的甚大望远镜(VLT)和多目标光谱探测仪(MUSE)指向了哈勃望远镜建立超级深场的同一片天区,这片区域其实在地球上看起来非常小,如同一颗沙粒一样大小,而哈勃望远镜却在其中发现了10000多个星系。

哈勃超级深场 - 由哈勃望远镜持续观测了11天的一小块天空区域,在这里找到了10000多个星系

贡献者:美国航空航天局,欧洲航天局/哈勃太空望远镜科研所的贝克威斯,哈勃超级深场研究团队

在这片区域中,科学家们发现了大量的氢气,很激动人心!于是这些科学家进行了更深入的观测,他们花了整整8个月的时间,在同一片区域获得了140小时的图像信息。并且不仅仅是图像,还包括将光分解为独立的颜色形成的光谱。因为早期宇宙形成的氢气会在特定的波段发光,这个波段位于紫外波段范围,称为莱曼阿尔法波段。这些光经过亿万年到达我们地球时,会红移到近红外波段。通过测量波长值,我们就知道了红移,从而也就知道了我们距离在莱曼阿尔法波段发光的氢气究竟有多远。

构成宇宙细丝结构的极其遥远的氢气(图中蓝色部分),宇宙早期星系诞生于其中。气体图像叠加于哈勃拍摄的超级深场图像之上。

贡献者:罗兰•贝肯,戴维•玛丽,欧洲南方天文台/美国航空航天局

最终,科学家得到了这些发光氢气形成的细丝结构,有一些细丝结构距离我们长达130亿光年,而这些结构是宇宙在刚刚诞生1亿年就形成的!

准确的说,科学家发现了距离地球115亿到130亿光年的团状及细丝结构,其中一些长度达1000万光年,而宽度只有几十万光年。他们找到1250个莱曼阿尔法波段的点辐射源,其中一些聚集为22个更大的莱曼阿尔法辐射区域,每个区域包含10到26个团状结构。这些团状结构代表极早期形成的星系和星系群,距离宇宙形成的时间并不远。

左图通过模拟显示了数千个矮星系(假设其单个是可见的)聚集在一起的样子,右图显示这些矮星系的光线聚集起来后在甚大望远镜(VLT)和多目标光谱探测仪(MUSE)中的样子

贡献者:蒂博•加雷尔,罗兰•贝肯

这个结果已经不错了!科学家还在这些团状结构之外发现了许多不太清晰的莱曼阿尔法辐射,称其为辐射延伸。通过对宇宙极早期物质聚集成团过程的模拟,这些辐射延伸是由数以亿计的矮星系诞生过程所导致的,这些矮星系比我们的银河系还要小得多,由于极其暗淡而被称为超低亮度辐射源,有一些只是我们太阳亮度的几千倍,而银河系的亮度是太阳亮度的好几百万倍以上,可以看出这些矮星系是多么的暗淡。想一想,要点亮那片气体需要多少个矮星系?

这些星系极其年轻,我们看到的光线是它们仅仅诞生3亿年所产生的。再来做个对比,银河系诞生有120亿年了,因此我们实际上看了一眼宇宙婴儿时期的样子。

科学家还发现在甚大望远镜(VLT)和多目标光谱探测仪(MUSE)得到的数据中,有30%是哈勃超级深场中看不到的,这意味着即使哈勃望远镜也无法观测到这些部分。这倒不算太令人惊讶,毕竟甚大望远镜(VLT)的口径要远大于哈勃望远镜,但这是相当不错的成就。

如这张计算机模拟图所示,在宇宙早期暗物质被认为构成了一个巨大的网状结构,而星系形成于网状结构的细丝位置处

贡献者:施普林格尔,千禧模拟项目

作为一个天文学家,我对于这种成就非常惊叹,而且它和早期宇宙的模拟结果也竟然相符!这是一个重要的时刻:我们仅仅使用数学、物理和天文观测,就可以预测宇宙的极早期,并且获得了正确的结果。

我听到有些人对科学嗤之以鼻,把科学结论都认为是猜测出来的垃圾。但实际上这是我们对无法接触到的客观世界进行理解的最佳方法,且获得了难以置信的成功,这些新的观测结果就是证据。对这些人来说,你可以根据自己的喜好拒绝科学,但是你要明白,实际上你可是在否认这个宇宙的客观事实啊!

BY: Phil Plait

FY: TelescopeX

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