美科學(xué)家立項(xiàng)追蹤宇宙紫外光源 或揭宇宙光亮之謎

有關(guān)這項(xiàng)研究的論文發(fā)表在近日出版的《天體物理學(xué)快報(bào)》上，作者是加州大學(xué)洛杉磯分校的宇宙學(xué)家安德魯·波岑(Andrew Pontzen)博士以及哈拉楊·佩里斯(Hiranya Peiris)博士，合作者中還有來(lái)自普林斯頓和巴塞羅那大學(xué)的研究人員。他們的這項(xiàng)研究證明，即將開(kāi)展的新型巡天觀測(cè)將會(huì)最終揭開(kāi)照亮宇宙之謎。

宇宙光亮之謎

這項(xiàng)研究的第一作者波岑博士問(wèn)道：“在一個(gè)國(guó)家里，什么地方產(chǎn)生了最多的光亮?是這個(gè)國(guó)家最大的城市，還是那許許多多的小城鎮(zhèn)?”答案是后者——城市很明亮，但小城鎮(zhèn)的數(shù)量巨大。理解這其中隱藏的微妙平衡將有助于我們揭開(kāi)宇宙的組織學(xué)奧秘——對(duì)于宇宙，我們提出了一個(gè)相似的問(wèn)題：浸淫宇宙的紫外光，它們主要來(lái)自那些較為黯淡但數(shù)量眾多的星系，還是那些數(shù)量稀少但極其明亮的類星體?

類星體是宇宙中最為明亮的天體，它們巨大的亮度是由大量氣體塵埃物質(zhì)被卷入其中央黑洞之前在吸積盤(pán)中高速盤(pán)旋下落時(shí)產(chǎn)生的。一個(gè)星系內(nèi)部可以含有數(shù)千億顆恒星，但相比類星體，其亮度仍然要黯淡得多。了解那些數(shù)量眾多的小型星系，其亮度是否可以蓋過(guò)那些數(shù)量較少但極其明亮的類星體，對(duì)于理解宇宙如何形成今天的恒星與行星體格局具有重要意義。這同樣也將幫助科學(xué)家們更合理地校正今天我們對(duì)暗能量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，暗能量被認(rèn)為是造成宇宙加速膨脹的元兇，因而也決定著宇宙的未來(lái)命運(yùn)。

此次這項(xiàng)研究中所采用的方法事實(shí)上此前便已經(jīng)被天文學(xué)家們廣泛采用，在這種方法中，類星體被用作理解空間的“宇宙燈塔”。類星體巨大的亮度讓它們即便在極其遙遠(yuǎn)的距離上也能被觀測(cè)到，實(shí)際上即便兩者相距可觀測(cè)宇宙直徑的95%，我們?nèi)匀豢梢杂^測(cè)到類星體發(fā)出的光亮。研究組認(rèn)為，這些光線從極其遙遠(yuǎn)的距離抵達(dá)地球，如果對(duì)它們與沿途氫氣氣體之間的相互作用進(jìn)行研究，或許可以揭開(kāi)照亮宇宙的光線來(lái)源之謎，即便最后的結(jié)果發(fā)現(xiàn)這樣的源頭實(shí)際上并非類星體也同樣可以進(jìn)行。

在宇宙中存在兩種類型的氫氣——一種當(dāng)然就是普通的電中性的氫，而第二種則由于紫外線的照射而帶上了電荷。這兩種氫氣團(tuán)之間的差異可以借助一種特別的光線波段予以識(shí)別，也就是所謂的“萊曼-α”波段，這一波段只會(huì)對(duì)中性氫發(fā)生吸收�？茖W(xué)家們可以借助這一萊曼-α吸收特征的手段來(lái)了解宇宙中中性氫的分布情況，

時(shí)間膠囊

由于所研究的類星體距離遠(yuǎn)在數(shù)十億光年之外，它們本質(zhì)上都是一顆顆的時(shí)間膠囊：對(duì)它們的光線進(jìn)行觀察，將幫助我們了解宇宙在遙遠(yuǎn)過(guò)去時(shí)的情景。這樣的觀測(cè)也將告訴我們?cè)跀?shù)十億年前，當(dāng)宇宙正在大量產(chǎn)生星系之時(shí)，中性氫在宇宙中是如何分布的。

如果結(jié)果顯示中性氫氣體的分布是均勻的，那么這將說(shuō)明大部分光線的來(lái)源是大量的星系，而如果這種均勻程度更低，則表明那些類星體將是這些光線的主要產(chǎn)生者。

然而目前的類星體樣本數(shù)量還太小，不足以支持進(jìn)行全面的分析以區(qū)分這兩種情形。不過(guò)眼下正在規(guī)劃的幾個(gè)巡天觀測(cè)項(xiàng)目或許將幫助科學(xué)家們找到問(wèn)題的答案。

在這些規(guī)劃中的方案中，有一項(xiàng)名為“暗能量分光設(shè)備”(DESI)，按計(jì)劃它將對(duì)超過(guò)100萬(wàn)個(gè)遙遠(yuǎn)的類星體進(jìn)行觀測(cè)。盡管這一項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目的是想通過(guò)觀測(cè)遙遠(yuǎn)的類星體來(lái)了解暗能量對(duì)宇宙膨脹的加速作用，但最近的研究表明這一項(xiàng)目也可以被用于測(cè)算光線傳播途中與周遭氣體云團(tuán)之間的相互作用效應(yīng)。同樣的，DESI得到的數(shù)據(jù)中分布的均勻程度也將揭示宇宙中光線的產(chǎn)生主要是來(lái)自“少數(shù)大城市”(類星體)還是“大量小城鎮(zhèn)”(星系)。

研究論文的合著者哈拉楊·佩里斯表示：“這件事令人驚訝——在星系逐漸形成今天模樣的過(guò)程中，究竟是什么發(fā)出的大量紫外輻射彌漫于宇宙?這項(xiàng)技術(shù)將讓我們?cè)谶@一宇宙歷史的關(guān)鍵時(shí)刻掌握有關(guān)宇宙星系間環(huán)境的新的切入口。”

波岑博士表示：“這是一個(gè)好消息。DESI將為我們提供有關(guān)宇宙中早期星系的無(wú)價(jià)資料，那些星系太過(guò)遙遠(yuǎn)也太過(guò)暗弱，我們永遠(yuǎn)不可能直接對(duì)它們進(jìn)行單獨(dú)的觀測(cè)。而一旦這些隱藏在數(shù)據(jù)中的信息被理解，研究組就能在分析時(shí)將其考慮進(jìn)去，并且不會(huì)影響項(xiàng)目旨在研究暗能量本質(zhì)的高精度宇宙膨脹率數(shù)據(jù)測(cè)量工作。這一案例展示了類似這樣大型的，雄心勃勃的項(xiàng)目將如何得到豐盛異常的數(shù)據(jù)地圖用于進(jìn)行探索。我們現(xiàn)在正在嘗試了解，從這些數(shù)據(jù)中我們還將能夠挖掘出哪些珍貴的寶藏。”