-看清宇宙中暗弱的光 卻看“丟”了一萬多億個(gè)星系
發(fā)布時(shí)間:2021-02-02
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-看清宇宙中暗弱的光 卻看“丟”了一萬多億個(gè)星系
NASA
“新視野號(hào)”NASA

  根據(jù)恒星的演化規(guī)律,我們知道不同質(zhì)量的恒星會(huì)發(fā)出不同強(qiáng)度的光。通過測量得到光的強(qiáng)度,就能反推出恒星的總質(zhì)量,進(jìn)而可以粗略地知道每個(gè)星系的質(zhì)量,并得到星系的數(shù)目。

  ——鄒遠(yuǎn)川?華中科技大學(xué)物理學(xué)院教授

◎本報(bào)記者?劉志偉

  深邃的宇宙星星點(diǎn)點(diǎn),這些來自天體的光芒有強(qiáng)有弱,有些肉眼可見,有些就連大型天文望遠(yuǎn)鏡都無法看清。但正是這些暗弱的微光,刷新了我們對于宇宙中星系總量的認(rèn)知。

  1月14日,據(jù)美國國家航空航天局(NASA)官網(wǎng)報(bào)道,一個(gè)國際科學(xué)研究小組在研究了“新視野號(hào)”對最暗弱天區(qū)長時(shí)間的觀測結(jié)果后發(fā)現(xiàn):宇宙中星系的數(shù)量可能僅有幾千億個(gè),而不是之前利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的觀測結(jié)果推測的兩萬億個(gè)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于《天體物理學(xué)》雜志。

  這一研究發(fā)現(xiàn)顛覆了我們的認(rèn)知,為什么前后數(shù)據(jù)的差異會(huì)如此巨大?科學(xué)家如何計(jì)算出宇宙中星系的總量?帶著這些問題,科技日報(bào)記者采訪了華中科技大學(xué)物理學(xué)院教授鄒遠(yuǎn)川。

  “新視野號(hào)”為科學(xué)家打開了新視野

  兩個(gè)探測器,卻得到了完全不同的結(jié)果。科學(xué)家對于宇宙星系數(shù)量的探測主要采用哪些方式?“對星系數(shù)量的估計(jì),最直接的方式就是‘?dāng)?shù)數(shù)’。比如斯隆巡天項(xiàng)目(SDSS),就是對240萬個(gè)星系進(jìn)行逐一觀測?!编u遠(yuǎn)川說,當(dāng)然,這個(gè)數(shù)字遠(yuǎn)不是宇宙中所有星系的數(shù)目。首先,它沒有對所有的方向進(jìn)行觀測;其次,亮度比較暗弱的星系也沒有包括在內(nèi),這些星系亮度較低的原因,要么是距離太遠(yuǎn),要么則是星系本身太小。但這些小星系,反而占了星系總量的絕大多數(shù)。

  所以,要得到宇宙星系的總量,必須得把那些非常暗、無法直接觀測到的星系都計(jì)算在內(nèi)。

  “此前,哈勃太空望遠(yuǎn)鏡正是采用這種辦法,得到了兩萬億的結(jié)論。”鄒遠(yuǎn)川說,它指向了一個(gè)沒有任何已知源的天區(qū),對這一區(qū)域進(jìn)行了長達(dá)數(shù)月的觀測,發(fā)現(xiàn)了那些非常暗弱星系的光。這些光以背景的形式出現(xiàn),科學(xué)家將這些背景光通過復(fù)雜的模型計(jì)算出星系的數(shù)目,并假設(shè)其他方向的星系數(shù)目也類似,就得到了兩萬億這一結(jié)論。

  盡管哈勃太空望遠(yuǎn)鏡功能強(qiáng)大,也部署在太空中,但它仍是環(huán)繞地球運(yùn)行,無法直接探測到宇宙中部分太遙遠(yuǎn)、太微弱的光源,也就不能了解這些光是不是星系發(fā)出的,又是由多少個(gè)星系發(fā)出的。

  為此,人類通過發(fā)射遠(yuǎn)離地球的人造衛(wèi)星,甚至試圖讓探測器飛出太陽系,去探測這些光芒的源頭。

  2006年1月19日,美國“新視野號(hào)”發(fā)射升空,它的主要任務(wù)是探測冥王星及其最大的衛(wèi)星卡戎(冥衛(wèi)一),以及位于柯伊柏帶的小行星群。

  在此次研究中,研究人員正是利用“新視野號(hào)”對冥王星和柯伊伯帶最暗弱天區(qū)進(jìn)行長時(shí)間、不間斷觀測的結(jié)果,確定了宇宙背景光亮度,該結(jié)果為模糊的未知星系數(shù)量設(shè)定了上限,表明宇宙中星系的數(shù)量只有幾千億個(gè),而不是之前認(rèn)為的兩萬億個(gè)。

  計(jì)算星系數(shù)量的唯一方法

  為何科學(xué)家僅通過光度就可以計(jì)算出星系數(shù)量?是否還有其他方式?“事實(shí)上,對一個(gè)天體對象的探測,無非就是兩種方法:一個(gè)是引力,一個(gè)是電磁波?!编u遠(yuǎn)川說,針對星系數(shù)量的探測,特別是占星系總量絕大多數(shù)的小星系,引力的作用幾乎體現(xiàn)不出來,因此只能通過電磁波。從這個(gè)意義上說,對星系光度以及背景光的測量是唯一的方法。

  不過,也可以通過測量不同波段的光,來進(jìn)一步對星系數(shù)量做出更準(zhǔn)確的限制。

  鄒遠(yuǎn)川介紹,根據(jù)恒星的演化規(guī)律,我們知道不同質(zhì)量的恒星會(huì)發(fā)出不同強(qiáng)度的光。通過測量得到光的強(qiáng)度,就能反推出恒星的總質(zhì)量,進(jìn)而可以粗略地知道每個(gè)星系的質(zhì)量,并得到星系的數(shù)目。

  “但是星系發(fā)出的光,只占儀器所觀測到的光的一部分,還有其他光也可能被計(jì)算在內(nèi)。比如,太陽系中非常稀薄的塵埃,就會(huì)反射太陽光?!编u遠(yuǎn)川說,之前哈勃太空望遠(yuǎn)鏡之所以得到了兩萬億的結(jié)論,就是因?yàn)楸环瓷涞奶柟膺@部分無法完全扣除。

  哈勃太空望遠(yuǎn)鏡繞地球飛行,而地球在太陽系中距離太陽較近,塵埃反射的太陽光相對較強(qiáng),便讓科學(xué)家高估了所有星系發(fā)出的光的強(qiáng)度。

  鄒遠(yuǎn)川表示,此次研究人員能夠獲得這一觀測結(jié)果,正是利用了“新視野號(hào)”距離太陽相對較遠(yuǎn)、塵埃反射的太陽光較弱、星系光線干擾較小的優(yōu)勢。

  “新視野號(hào)”在位于冥王星之外、大于40個(gè)天文單位(即40倍日地距離)時(shí)拍攝了宇宙中最暗的幾處天區(qū)。研究人員發(fā)現(xiàn)最暗的區(qū)域比哈勃太空望遠(yuǎn)鏡所觀測到的區(qū)域還要暗10倍。研究人員推測,哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的觀測結(jié)果中“多出來”的部分,就是源自太陽光的反射,不應(yīng)被認(rèn)為是星系發(fā)出的光,由此得出了宇宙星系數(shù)量只有幾千億個(gè)的結(jié)論。

  目前“新視野號(hào)”已經(jīng)完成主要任務(wù),往更遙遠(yuǎn)的宇宙深處飛去,最終或?qū)w離太陽系。

  “少”了這么多星系不會(huì)影響宇宙質(zhì)量

  宇宙中“少”了這么多星系,是否意味著此前認(rèn)為的宇宙質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)減少?鄒遠(yuǎn)川表示,這一研究結(jié)果并非意味著宇宙中物質(zhì)質(zhì)量的減少,一是因?yàn)樾窍禂?shù)量和物質(zhì)的質(zhì)量并不直接成正比。星系有大有小,對星系總量貢獻(xiàn)最大的是小星系,但它們對宇宙質(zhì)量的貢獻(xiàn)反而不是很大。二是因?yàn)?,宇宙中的物質(zhì)質(zhì)量,約70%來自暗能量,25%來自暗物質(zhì),只有5%來自普通物質(zhì),這其中大約只有10%是發(fā)光的物質(zhì)。

  此外,目前的測量結(jié)果誤差都比較大,只有通過不停地改進(jìn)方法和擴(kuò)大樣本量,才能得到對宇宙越來越精確的認(rèn)知?!靶乱曇疤?hào)”的這個(gè)發(fā)現(xiàn),也只是在前進(jìn)道路上邁進(jìn)了一步。

  鄒遠(yuǎn)川表示,此次研究結(jié)果更新了我們對于宇宙星系數(shù)量的認(rèn)知,但還沒有達(dá)到顛覆性的發(fā)現(xiàn)。因?yàn)樵诙x宇宙中星系數(shù)目的時(shí)候,首先要定義宇宙,其次要定義星系。前者基本上定義為可觀測宇宙,后者則要麻煩很多。星系的定義足夠精確嗎?小到什么程度就不算星系呢?只有在有了明確并且公認(rèn)的定義后,星系總數(shù)的測量才有明確意義。這也正是無數(shù)科學(xué)家正在為之奮斗的目標(biāo)之一。



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