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太空发现巨大空洞跨度5亿光年星系

北极蚊子 2018-9-29 15:23

美国加州大学的天文学家最近发现宇宙一片星系匮乏的巨大空洞区域,跨度达到5亿光年,有望为揭开首批星系如何点亮宇宙的提供线索。他们还认为,大约125亿年前,宇宙中最不透明的地方所包含的物质相对较少。

早期不透明的黑暗宇宙,天文学家早就知道,宇宙充满暗物质和气体组成的网状网络。这张“宇宙网”构成了宇宙里的大部分物质,而像银河系的星系仅仅占到一小部分。而如今我们所在的宇宙中,星系之间的气体,即所谓的“星系际气体”,在高能的紫外线辐射下保持电离状态,因而几乎完全透明。

不过,天文学家后来发现,125多亿年前,也就是宇宙大爆炸约10亿年后,深空中的气体一度非常不透明,掩盖了遥远星系发出的大部分星光,即使紫外线也无法穿透。更为令人不解的是,不同区域的不透明程度差异很大。

就在几年前,美国加州大学河畔分校天文学家乔治·贝克尔(George Becker)领导的团队发现,这些不透明度的差异相当巨大,无论星系际气体本身的数量或是它们经受的辐射,每个区域都各不相同。贝克尔解释说:“我们现在所处的宇宙相当的均匀。朝任何方向看,星系的数量大体相同,星系间的气体也是如此。但在早期的宇宙,深空中的这些气体在不同区域的数量差异很大。”

宇宙大爆炸示意图

为了弄清这一问题,天文学家动用了位于夏威夷的昴星团望远镜,世界上最大的望远镜之一。他们在一片极为广袤的太空区域,寻找年轻恒星组成的星系。这片区域横跨5亿光年的范围,天文学家过去就知道那里的星系际气体极度不透明。

对“宇宙网”而言,不透明度越高说明气体越多,由此能产生更多的星系。但贝克尔团队的发现截然相反,他们所搜寻的区域包含的星系数量远远低于平均值,意味该区域透明度极低,星光无法穿透。这是因为来自星系的紫外线可以让深空中的气体电离保持透明,如果星系匮乏,这些气体则显得混沌不堪。

贝克尔解释说:“保持这些深空气体透明的紫外线通常来自极为遥远的星系,与其附近的星系数量关系不大,对于宇宙演化的大多数历程都是如此。”研究论文主执笔人、加州大学河滨分校天文学家乔治·贝克表示:“从某种程度上说,这是我们在宇宙内发现的最不寻常的区域。”

橙色区域为星系,深蓝色为“虚空”

正常情况下,每立方米地球空气拥有大约25乘1000的8次方个分子,足以填满我们的肺,让我们保持正常的身体机能。如果处在星系之间的太空,情况则完全不一样,平均5立方米才有大约1个原子。

宇宙浩瀚无边,在窥探银河系深处时,天文学家仍能探测到极少量气体。这是因为当恒星和星系的光线穿过宇宙内的气体,特定波长的光线会被物质吸收,哪怕物质只是零星分布。在地球上,科学家能够探测到相关信号。

仙女座星系

现在,星系间气体非常均匀地分布在拥有137亿历史的宇宙。光线穿过时往往受到阻隔同时以统一且具有可预测性的方式射出。不过,这种情况并非贯穿宇宙的整个演变史。在宇宙只有10亿岁时,星系间气体的不透明度超过现在并且因地而异,而不是均匀分布。进一步了解这种变化有助于科学家窥探早期宇宙的秘密。为此,天文学家将目光投向宇宙的“虚空”。

根据《天体物理学杂志》刊登的一篇研究论文,科学家在宇宙内发现一个巨大虚空,宽度达到5亿光年,星系数量远低于相关理论想定。研究论文主执笔人、加州大学河滨分校天文学家乔治·贝克表示:“从某种程度上说,这是我们在宇宙内发现的最不寻常的区域。”

夏威夷莫纳克亚山的昴星团望远镜

借助夏威夷莫纳克亚山上的一架高性能望远镜,贝克和同事对一片广阔的夜空区域进行观测,搜寻年轻星系。通常情况下,一片暗淡且不透明的太空区域充斥着气体和星系,但他们并未发现大量星系。虽然气体的浓度较高,达到每立方米60个原子,但并非气体遮挡了天文学家的视线。贝克等人观测的气体,特定波长的紫外线无法逾越,但可见星光等波长的光线能够穿过。

大爆炸后宇宙迅速膨胀,温度随之降低

如果这片巨大虚空存在大量星系,贝克能够探测到它们的存在。虽然他们发现了一些星系,但数量不足以解释如此高的不透明度。贝克认为这片区域可能经历了宇宙演变史上的一个特殊时期。大爆炸后,炙热物质向外飞射。随着时间的推移,包括氢(新形成的元素之一)在内的一切物质趋于冷却。

氢气一直保持中性,并不带电,直至星系开始形成。此时,由于正在形成中的星系与氢气之间发生交互,某些氢气再次带电,即再度离子化。离子化氢气几乎完全透明,中性氢气则拥有较高的不透明度,导致某些波长的紫外线无法穿过。

大质量星系团的模拟图

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