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科学家描绘星系3D地图,它们之间真的是空无一物

时间:2019-08-31 12:07来源:科学研究
科学家们近日发布了一份3D版的宇宙地图,展示了巨大的星系和遥远的黑洞。这是迄今最详尽的此类“地图”,科学家们希望它将能帮助我们更好地了解神秘的暗物质和暗能量,这两种

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科学家们近日发布了一份3D版的宇宙地图,展示了巨大的星系和遥远的黑洞。这是迄今最详尽的此类“地 图”,科学家们希望它将能帮助我们更好地了解神秘的暗物质和暗能量,这两种神秘组分占据了整个宇宙组成的96%,它是基于斯隆数字巡天项目得 到的数据制作而成的。

校译:陈艳玲 陆寅枫 汪荣鑫 华子乾

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腾讯科学讯 据国外媒体报道,科学家目前绘制的星系三维地图或将揭开星系与恒星形成的奥秘,尤其是在日常观测中研究人员所发现的神秘弥散星际暗带,如果我们能破解这个谜团,就能揭开银河系是如何形成的,以及星系内恒星在哪个时期出现。早在1922年时,研究人员就发现一种奇怪的天文现象,来自遥远宇宙的光线在抵达地球前会被星系内的某种物质所吸收,形成了弥散星际暗带的现象,科学家推测该现象的形成与星系内物质分布有关,其中就包括了特殊粒子的存在。

BOSS项目将其目对准了这些大型,明亮的星系,原因在于相对而言它们和我们的星系同处宇宙一隅,并且相对容易锁定,即便是在遥远的宇宙深处也是如此。对这些星系进行分布制图将帮助我们确定出宇宙中其它星系的位置图。

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除了氢原子,天文学家还利用射电望远镜发现星际空间中有许多分子。星际分子有六七十多种。有十几种无机分子,如水、氨、一氧化碳和其他有机分子,如甲醛和乙醇。此外,还有星际尘埃,它们是直径约十分之一微米的小颗粒,主要由水冰、石墨、硅酸盐、金属等组成。星际物质在空间中的分布是不均匀的。在某些地区,星际物质特别密集,就像云一样。当天文学家过去观察恒星时,他们看到天空中有许多明亮的云状物体,称之为星云。有些星云的形状不规则,称为弥散星云。唯一肉眼可见的星云是猎户座星云,它是一个弥漫星云。有些星云有一个小的圆形或椭圆形区域,很像行星。这些星云被称为行星状星云。

到目前为止,科学家共发现了400个弥散星际暗带,其存在的于紫外、可见光和红外波段,弥散在整个空间,研究人员推测宇宙中存在神秘的分子,由于它们的存在,使得我们可以观测到特殊的吸收光谱,这些分子可能是含有硅元素的碳氢化合物。如果从地球的角度观测,在彩色光谱图像中出现了黑暗的吸收线,就像彩色画面缺少了许多拼图,通俗地说就是本该被我们观测到的光线消失了,取而代之的是黑暗。

最终这幅宇宙地图中还将包含“重子振荡光谱调查”计划给出的数据,这一计划的内容是测量并给出宇宙在过去70亿年内超过150万个 大质量星系以及16万个类星体的精确位置数据,所谓类星体就是由于大型黑洞吞噬恒星和周遭气体物质造成的强烈发光辐射现象。这种天体距离一般都非常遥远, 它们是早期宇宙的产物,距今大约有120亿年之久。

牧夫新媒体编辑部

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为了调查星际暗带,科学家也动用了径向速度法对星系内的恒星进行观测,绘制出恒星分布的地图,这样的大尺度宇宙地图可以确定宇宙中特殊物质的存在区域,位于巴尔的摩的约翰霍普金斯大学天文学教授Rosemary Wyse认为我们要发现星际暗带的奥秘,就需要找出它们在哪里,然后才能确定其成分。同时,研究人员也试图从实验室内模拟出特殊星际分子的组成,比如人工合成一些含硅原子的长碳链,观察其吸收线是否符合实际观测结果。

金沙澳门官网4166,在去年年初,斯隆数字巡天项目发布了迄今最全面的夜空图像,涵盖1/3的天空面积。而此次的最新数据,即“第九号数据发布”,也就是将这一持续6年的大型项目前两年的数据面向公众发布。这些数据将扩充到先前的星空图中,从而将其扩展成一张三维图像。

七个深红色恒星和四个非偏红主序星的哈勃光谱。 顶部的红线表示C60 的实验室光谱。 与C60 相关的四个吸收特征的位置用垂直虚线标记。 Cordiner et al. 2019 ]

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遥远的类星体则为测量宇宙中物质的分布提供了一种新的途径。类星体是遥远宇宙中异常明亮的一类天体,它们的光谱显示独特的特征,这是由于大量星际气体云团聚集以及位于地球和所观测类星体之间的暗物质影响所形成的。

Cordiner和他同事的研究结果与预测的一致性提供了“巴基球”存在于弥散星际物质中的最强有力的证明。 这种检测可以帮助我们分析弥散星际物质的其他组成部分,并帮助我们更好地理解复杂分子在极端和低密度的星际空间环境中存在的条件。

还有一类星云,用望远镜观测它是个小而暗的圆形暗斑,人们把它叫做球状体。星际空间还有些看不见的物质,人们认为宇宙中暗物质的质量比发光物质的质量还大。

星际暗带背后隐藏着神秘的星际分子,使得观测宇宙的光谱图上出现了黑暗的部分

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科学家们已经从哈勃观测星际空间的繁杂线索中找到”明星分子”—— 离子化的巴克敏斯特富勒烯存在的证明。

20世纪初,德国著名天文学家哈特曼发现了一个奇怪的现象:猎户座光谱中出现了一条由电离钙形成的暗线。猎户座8是一颗非常热的恒星,所以它的光谱中不应该有金属普线。

科学家描绘星系3D地图 揭宇宙暗带之谜

此份发布的数据中包含有年龄不超过70亿年的2亿个星系的图像,以及其中1.35亿个星系的光谱数据,包括有54万个星系的光谱是首次测得。光 谱数据能让科学家们了解这些星系在不同波段上辐射光的多少。这些星系图像,加上对宇宙膨胀的测量数据,让SDSS-III计划的天文学家们得以创建出一幅 3D的立体宇宙地图。

责任编辑:陈艳玲

然而,由于星际空间中氢原子的丰度,星际氢原子21厘米的无线电波强度足以被射电望远镜探测到。1951年,根据范德赫斯特的建议,美国的射电天文学家接收到氢原子发出的波长为21厘米的无线电波。分析观测数据表明,星际氢原子聚集在银河系中。这些氢原子的气体温度很低,平均60K,密度也很小。每立方米空间中只有10万个氢原子。一个星际氢原子每300年才与周围的氢原子碰撞一次,而地球大气中的分子每秒碰撞10亿次!

星系三维地图的出现有助于科学家了解弥散星际暗带的物质构成,我们虽然很早就得知其存在,但对这些物质分布仍然不了解。为了创建三维地图,科学家对400多条特殊的光谱吸收线进行分析,并对弥散星际暗带8620吸收线进行探测,斯洛文尼亚卢布尔雅那大学的研究人员雅奈兹:科斯认为相比较而言,8620吸收线与其他的光谱吸收线的区别并不大,但是光谱特性通常用于观测恒星的运动,从吸收线的情况可以反馈出特殊的物质分布。

大卫·塞拉格尔(David Schlegel)是美国劳伦斯利佛莫尔国家实验室的科学家,他领导了SDSS-III计划,对宇宙中的星系和类星体进行观测制图。他说:“暗物质和暗能量是我们宇宙中最大的谜团,我希望这份地图将有助于人们有朝一日揭开这个谜团。”

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1930年,另一位天文学家从另一个角度证实了星际物质的存在。瑞士天文学家特朗普是研究星团的专家。因为星团越远,亮度越暗,所以距离可以从星团的亮度计算出来。知道距离后,可以从观测到的星系团的角度直径计算出星系团的真实直径。Trumpler对开放星团的距离和大小的研究揭示了一个奇怪的结果:星团越远,星团的真实直径就越大。这个奇怪的结果间接地证实了星际空间中存在吸收光的星际物质。它们吸收星系团发出的光,使星系团的亮度变小,使我们误以为它们离得很远,从而根据夸大的距离来夸大星系团的大小。这导致了错误的结论,即星团越远,其直径越大。到目前为止,天文学家普遍承认恒星不是真空,而是充满了星际物质。

美国纽约大学物理学教授,负责进行DR9数据发布小组的负责人米歇尔·布兰顿(Michael Blanton)表示:“这项巡天工作中真正让我感到骄傲的是我们向未来做出的承诺。”他说:“我们的目标是创建出一张宇宙地图,在我们去世之后的很长时 间里人们还是需要使用它,未来的天文学家,物理学家和普通公众都会需要它。”

作者发现,在七颗红色恒星的光谱中,有三条最强的吸收线显示出了可靠的检测,并且没有发现另外四颗未被遮挡的恒星有这种吸收迹象。其中9348?未检测到有吸收特征,但由于根据预测它的特征信号应该非常弱,因此这一结果并不出乎意料。 另外,三条检测线的相对强度也符合实验室预测。

不同的星云有不同的大小、密度和温度。行星状星云的直径平均为0.3光年。星云的质量约为0.2-0.6倍太阳质量。星云的密度是每立方米1000- 100亿个星云物质粒子,温度是1000- 10000 K。漫反射星云的大小和质量都要大得多。例如,猎户座星云直径超过300光年,质量约为5万个太阳质量,最亮的部分密度为每立方米100亿个原子,温度约为800 K。暗星云也属于弥漫星云。据估计,暗星云中的尘埃质量约为20个太阳质量,而气体质量约为200至300个太阳质量。黑暗星云只有10k,因为它不能被明亮的恒星照亮。星际分子组成的星云叫做分子云,猎户座星云中有一个很大的分子云。天文学家现在相信恒星是由分子云形成的。

这幅新的宇宙地图也将帮助我们回溯我们所在银河系的历史。它包括对我们银河系内超过50万颗恒星进行更加精确的温度和化学成分测量。美国加州大 学圣克鲁兹分校教授,SDSS-III项目银河系研究负责人康尼·拉克斯(Connie Rockosi)表示:“有了这些更好的估算数值,我们便可以回溯银河系的历史。我们将可以了解小型星系是如何逐渐合并,并最终形成我们今天所见的银河系 的。”

是什么构成了遍布我们银河系的稀薄气体和尘埃,填补了恒星之间的空间? 在地球实验室设想可能的条件之外,我们的宇宙还可以形成哪些复杂的分子? 这些分子在哪里形成,它们是如何分布在整个太空之中的?

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借助这张新地图,研究人员们将可以追溯宇宙的历史,一窥宇宙在过去70亿年间所发生的事。研究人员希望这项研究将有助于我们更进一步确定出宇宙 中暗物质所占的比例。暗物质是一种神秘的“物质”,人们对它们一无所知,它们不发出任何辐射或吸收任何光线;还有就是暗能量,这是一种甚至更加神秘的力 量,它极其强大,甚至可以驱动整个宇宙向外加速膨胀,但是我们对它几乎一无所知。

翻译:田程偲

这些物质是什么?它们的化学成分是什么?天文学家做了很多观测。他们不仅观测了钙、钠、钾、铁、钛所发射的星际谱线,还观测了碳、氮、氢分子化合物所产生的星际谱线和谱带。人们还把光谱仪放在人造卫星上观察,发现了许多元素,如氧、镁和钛。由硅、磷、氯、氩和锰组成的星际线。我们知道宇宙中最丰富的元素是氢。星际空间中有氢原子吗?氢原子产生的光谱线比可见光的波长长。要探测氢,必须用射电望远镜来观察它。1944年,范德赫斯特还是个大学生。他的毕业论文是关于宇宙中氢原子的探测。他的理论计算表明,太空中的氢原子可以发射波长为21厘米的无线电波。然而,一个氢原子平均需要1000万年才能产生21厘米波长的无线电波,这是一种罕见的现象。

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由Martin Cordiner(戈达德航天中心;美国天主教大学)领导的一项新研究展示了哈勃太空望远镜的观测结果 ,从而降低了弥散星际带探索对地球大气层吸收特征带来的额外复杂性。11颗恒星的哈勃光谱带提供了确认特殊分子--富勒烯存在于混沌星际介质中的证据。

奇怪的是,猎户座δ是一颗光谱双星,它彼此向南旋转。它的谱线有周期性的位移,但这条电离钙谱线的波长保持不变。哈特曼提出了他自己的观点,即产生电离钙谱线的物质对地球是静止的,即恒星和地球之间存在着尘埃和气体。它们被称为星际物质,吸收恒星发出的光并产生黑色的钙线。哈特曼是正确的吗?天文学家观察了其他高温光谱双星,发现了中性钠的暗线,没有位移。这说明哈特曼的观点是正确的,星际空间中存在吸收物质。

红色红星和非红色恒星的平均光谱,大约有四个C60 的预测吸收特征。 C60 的实验室比较光谱为叠加在黑线上的红线。

朱诺号拍摄到形似大理石的木星

备受关注的“明星分子”

周一 · 知古通今|周二 · 牧夫专栏

这些都属于宇宙化学中的开放性问题。其中一个困扰了天文学家多年的难题是导致“弥散星际带”的原因:数百个大范围的吸收特征出现在红色恒星的光学到近红外光谱中。

谢谢阅读

编排:陶邦惠

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周三 · 太空探索|周四 · 观测指南

Cordiner和他的同事通过一种新颖的扫描技术获得了七颗恒星的超高信噪比,这些恒星因为ISM的遮挡显着变红,而另外四颗恒星则没有。 他们因此搜索了四个波长的吸收信号 :9348,9365,9428和9577 并通过实验室实验预测这与C60 相关。

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C60 的正式名称为“富勒烯”,非正式名称为“巴基球”,它是一个由60个碳原子组成,以足球形状排列的巨大分子。 在检测到巴基球之前,我们在弥散星际介质中发现的最大分子最多只含有三个比氢重的原子,因此巴基球的证实大大打破了已知分子大小的限制!

周五 · 深空探测|周六 · 茶余星话|周日 · 视频天象

NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS

Processing: Kevin M. Gill

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由60个碳原子组成的富勒烯艺术想象图。 最新研究发现了富勒烯存在于弥散星际介质中的证据。NASA / JPL-Caltech]

整合扩散性信号

这些特征不是由恒星本身引起的,所以它们一定是因为我们和恒星之间的弥散星际介质吸收光而造成的。但是数百种混杂的特征以及产生它们的未知条件使得识别弥散星际介质中存在的各个分子变得极其困难。

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