深邃的宇宙星星点点 , 这些来自天体的光芒有强有弱 , 有些肉眼可见 , 有些就连大型天文望远镜都无法看清 。 但正是这些暗弱的微光 , 刷新了我们对于宇宙中星系总量的认知 。
1月14日 , 据美国国家航空航天局(NASA)官网报道 , 一个国际科学研究小组在研究了“新视野号”对最暗弱天区长时间的观测结果后发现:宇宙中星系的数量可能仅有几千亿个 , 而不是之前利用哈勃太空望远镜的观测结果推测的两万亿个 。 相关研究结果发表于《天体物理学》杂志 。
这一研究发现颠覆了我们的认知 , 为什么前后数据的差异会如此巨大?科学家如何计算出宇宙中星系的总量?带着这些问题 , 科技日报采访人员采访了华中科技大学物理学院教授邹远川 。
“新视野号”为科学家打开了新视野
两个探测器 , 却得到了完全不同的结果 。 科学家对于宇宙星系数量的探测主要采用哪些方式?“对星系数量的估计 , 最直接的方式就是‘数数’ 。 比如斯隆巡天项目(SDSS) , 就是对240万个星系进行逐一观测 。 ”邹远川说 , 当然 , 这个数字远不是宇宙中所有星系的数目 。 首先 , 它没有对所有的方向进行观测;其次 , 亮度比较暗弱的星系也没有包括在内 , 这些星系亮度较低的原因 , 要么是距离太远 , 要么则是星系本身太小 。 但这些小星系 , 反而占了星系总量的绝大多数 。
所以 , 要得到宇宙星系的总量 , 必须得把那些非常暗、无法直接观测到的星系都计算在内 。
“此前 , 哈勃太空望远镜正是采用这种办法 , 得到了两万亿的结论 。 ”邹远川说 , 它指向了一个没有任何已知源的天区 , 对这一区域进行了长达数月的观测 , 发现了那些非常暗弱星系的光 。 这些光以背景的形式出现 , 科学家将这些背景光通过复杂的模型计算出星系的数目 , 并假设其他方向的星系数目也类似 , 就得到了两万亿这一结论 。
尽管哈勃太空望远镜功能强大 , 也部署在太空中 , 但它仍是环绕地球运行 , 无法直接探测到宇宙中部分太遥远、太微弱的光源 , 也就不能了解这些光是不是星系发出的 , 又是由多少个星系发出的 。
为此 , 人类通过发射远离地球的人造卫星 , 甚至试图让探测器飞出太阳系 , 去探测这些光芒的源头 。
2006年1月19日 , 美国“新视野号”发射升空 , 它的主要任务是探测冥王星及其最大的卫星卡戎(冥卫一) , 以及位于柯伊柏带的小行星群 。
在此次研究中 , 研究人员正是利用“新视野号”对冥王星和柯伊伯带最暗弱天区进行长时间、不间断观测的结果 , 确定了宇宙背景光亮度 , 该结果为模糊的未知星系数量设定了上限 , 表明宇宙中星系的数量只有几千亿个 , 而不是之前认为的两万亿个 。
计算星系数量的唯一方法
为何科学家仅通过光度就可以计算出星系数量?是否还有其他方式?“事实上 , 对一个天体对象的探测 , 无非就是两种方法:一个是引力 , 一个是电磁波 。 ”邹远川说 , 针对星系数量的探测 , 特别是占星系总量绝大多数的小星系 , 引力的作用几乎体现不出来 , 因此只能通过电磁波 。 从这个意义上说 , 对星系光度以及背景光的测量是唯一的方法 。
不过 , 也可以通过测量不同波段的光 , 来进一步对星系数量做出更准确的限制 。
邹远川介绍 , 根据恒星的演化规律 , 我们知道不同质量的恒星会发出不同强度的光 。 通过测量得到光的强度 , 就能反推出恒星的总质量 , 进而可以粗略地知道每个星系的质量 , 并得到星系的数目 。
“但是星系发出的光 , 只占仪器所观测到的光的一部分 , 还有其他光也可能被计算在内 。 比如 , 太阳系中非常稀薄的尘埃 , 就会反射太阳光 。 ”邹远川说 , 之前哈勃太空望远镜之所以得到了两万亿的结论 , 就是因为被反射的太阳光这部分无法完全扣除 。
哈勃太空望远镜绕地球飞行 , 而地球在太阳系中距离太阳较近 , 尘埃反射的太阳光相对较强 , 便让科学家高估了所有星系发出的光的强度 。
邹远川表示 , 此次研究人员能够获得这一观测结果 , 正是利用了“新视野号”距离太阳相对较远、尘埃反射的太阳光较弱、星系光线干扰较小的优势 。
“新视野号”在位于冥王星之外、大于40个天文单位(即40倍日地距离)时拍摄了宇宙中最暗的几处天区 。 研究人员发现最暗的区域比哈勃太空望远镜所观测到的区域还要暗10倍 。 研究人员推测 , 哈勃太空望远镜的观测结果中“多出来”的部分 , 就是源自太阳光的反射 , 不应被认为是星系发出的光 , 由此得出了宇宙星系数量只有几千亿个的结论 。
目前“新视野号”已经完成主要任务 , 往更遥远的宇宙深处飞去 , 最终或将飞离太阳系 。
“少”了这么多星系不会影响宇宙质量
宇宙中“少”了这么多星系 , 是否意味着此前认为的宇宙质量也会相应减少?邹远川表示 , 这一研究结果并非意味着宇宙中物质质量的减少 , 一是因为星系数量和物质的质量并不直接成正比 。 星系有大有小 , 对星系总量贡献最大的是小星系 , 但它们对宇宙质量的贡献反而不是很大 。 二是因为 , 宇宙中的物质质量 , 约70%来自暗能量 , 25%来自暗物质 , 只有5%来自普通物质 , 这其中大约只有10%是发光的物质 。
此外 , 目前的测量结果误差都比较大 , 只有通过不停地改进方法和扩大样本量 , 才能得到对宇宙越来越精确的认知 。 “新视野号”的这个发现 , 也只是在前进道路上迈进了一步 。
【观测|看清宇宙中暗弱的光却看“丢”了一万多亿个星系】邹远川表示 , 此次研究结果更新了我们对于宇宙星系数量的认知 , 但还没有达到颠覆性的发现 。 因为在定义宇宙中星系数目的时候 , 首先要定义宇宙 , 其次要定义星系 。 前者基本上定义为可观测宇宙 , 后者则要麻烦很多 。 星系的定义足够精确吗?小到什么程度就不算星系呢?只有在有了明确并且公认的定义后 , 星系总数的测量才有明确意义 。 这也正是无数科学家正在为之奋斗的目标之一 。 (采访人员 刘志伟)
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