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迄今最大、最详细的宇宙3D地图来了

2022-01-17  昵称散步...

科技日报记者 张梦然

美国暗能量光谱仪 (DESI)项目打破了之前所有3D星系调查的记录,在完成前七个月的调查后,创建了有史以来最大、最详细的宇宙地图。

其“五年任务”目前只完成了约10%,但这张极其详细的3D地图将有助于人类更好地了解暗能量,从而让科学家们深入了解宇宙的过去和未来。调查中使用的技术和取得的成就,也将帮助科学家们揭示宇宙中最强大光源的秘密。

迄今最大、最详细的宇宙3D地图来了

DESI的宇宙3D“CT扫描”图。地球在左下角,每个彩色点代表一个星系,而星系又由1千亿到1万亿颗恒星组成。重力将星系聚集成称为“宇宙网”的结构,其具有密集的星团、细丝和空隙。图片来源: D. Schlegel/伯克利实验室使用DESI的数据制作

“触摸”天空的深度

DESI是由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(下称伯克利实验室)管理的国际科学合作项目,建设和运营的主要资金来自美国能源部科学办公室。科学家在伯克利实验室主办的网络研讨会上展示了DESI的性能和一些早期的天体物理学结果。

伯克利实验室科学家朱利安·盖伊说:“在3D地图的星系分布中,存在巨大的星团、细丝和空隙。它们是宇宙中最大的结构。但在其中,你也会发现早期宇宙的印记,以及从那时起它的膨胀历史。”

完成调查的主要任务需要收集覆盖整个天空三分之一以上的数百万个星系的详细色谱图像。通过将来自每个星系的光分解成光谱,DESI可确定光已经红移了多少——在到达地球之前的数十亿年中,由于宇宙的膨胀向光谱的红端延伸——正是这些红移,让DESI“触摸”到了天空的深度。

迄今最大、最详细的宇宙3D地图来了

美国亚利桑那州图森附近基特峰国家天文台的尼古拉斯·U·马亚尔4米望远镜上的星迹。 图片来源: KPNO/NOIRLAB/NSF/AURA/P. MARENFELD

“预言”宇宙的命运

一般来说,一个星系的光谱红移越多,它就越远。借助3D宇宙地图,物理学家可绘制星系团和超星系团的图表。这些结构带有它们最初形成的“回声”,当时它们只是“婴儿宇宙”中的涟漪。通过梳理这些“回声”,物理学家可使用DESI的数据来确定宇宙的膨胀历史。

了解膨胀历史至关重要,这与整个宇宙的命运息息相关。今天,宇宙中大约70%的内容是暗能量,这是一种推动宇宙更快膨胀的神秘能量形式。随着宇宙的膨胀,更多的暗能量突然出现,从而加速了膨胀,在一个循环中,推动宇宙中暗能量的比例不断上升。

暗能量最终将决定宇宙的命运:它会永远膨胀吗?它会在逆向的大爆炸中再次崩溃吗?还是会自己撕裂?

回答这些问题意味着需要更多地了解暗能量在过去是如何表现的——这正是DESI要达成的目的。

“看清”黑洞的面目

为了解宇宙的命运,人类将不得不等到DESI完成更多的调查。但与此同时,DESI已在推动人们对超过100亿年前的遥远过去的理解取得突破——彼时,星系们还很年轻。

美国亚利桑那大学研究团队正在使用DESI数据来了解小星系中中等质量黑洞的行为。巨大的黑洞被认为存在于几乎每个大星系的核心,比如人类自己的银河系。但小星系是否也是在其核心包含一个较小的黑洞,目前仍然未知。黑洞本身几乎是不可能找到的——但如果它们吸引了足够多的物质,它们就会变得更容易被发现。

当落入黑洞的气体、尘埃和其他物质在进入黑洞的过程中升温(温度高于恒星核心)时,就会形成一个活跃的星系核。在大型星系中,活动星系核是已知宇宙中最亮的天体之一。但在较小的星系中,活动星系核可能更微弱,更难与新生恒星区分开来。DESI拍摄的光谱可帮助解决这个问题——它在天空中的广泛覆盖范围将产生比以往更多的关于小星系核心的信息。反过来,这些核心将为科学家们提供有关在早期宇宙中如何形成明亮活动星系核的线索。

英国杜伦大学研究团队正在使用DESI数据来了解类星体本身的演化。研究人员认为,类星体开始时被一层尘埃包围,这使得它们发出的光变红,就像太阳穿过阴霾一样。随着年龄的增长,它们会驱散这些灰尘并变得更蓝。但由于缺乏关于红色类星体的数据,很难检验这一理论。DESI正在改变这一点,发现的类星体比以往任何一次调查都多,最终调查数据中,预计有240万个类星体。

现在,DESI项目已对超过750万个星系进行了编目,并且还在以每月超过100万个的速度增加。仅在2021年11月,DESI就对来自250万个星系的红移进行了编目。到2026年运行结束时,DESI的目录中预计将拥有超过3500万个星系,从而能够进行各种各样的宇宙学和天体物理学研究。

编辑:张爽

审核:王小龙

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