美国科学家称首获得宇宙星系际介质三维图像,大概三分之一的质量不知所踪

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美国加州理工学院的研究人员利用自己设计和建造的宇宙网络成像仪,拍摄到前所未有的星系际介质图像,即弥漫在整个宇宙中连接星系的气体。

据了解,当天文学家把当今宇宙中所有正常物质的质量加起来时,大约有三分之一的物质无法被发现。而且这种缺失的物质不同于神秘的暗物质,它是完全正常的、普通的物质,科学家就是找不到。这就给天文学家带来了巨大的宇宙烦恼。

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迄今为止,igm的结构大多是理论推测。借助设置在加州南部帕洛马山天文台5.08米巨型反射“海耳望远镜”的宇宙网络成像仪观测,研究人员获得了第一个三维的igm照片,并探测到一个有可能正在形成中的螺旋星系,是我们所在银河系大小的3倍,这将有可能让人们对星系和星系间的动态有新的认识。该研究结果刊登在最新一期的《天文物理》期刊上。

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星系比我们所看到的更多。在黑暗的太空背景下,星系明亮的恒星似乎平静地旋转着。但仔细一看就会发现很多混乱。

宇宙网络成像仪的构思和开发者、加州理工学院物理系教授克里斯托弗·马丁说:“当我还是一名研究生的时候,就一直在思考星系际介质。它不仅在宇宙中构成了大多数的普通物质,也是星系形成和生长的媒介。”

早前,科学家们通过独立可靠的观测,计算出了大爆炸之后存在的正常物质(即氢、氦和其他元素)的数量。在最初的几分钟到大约十亿年前的时间里,大部分普通物质变成了宇宙尘埃、气体和恒星、行星等天体,望远镜可以在当今的宇宙中看到它们,但是在计算全部质量时,却发现两者并不对等。

去年1月,西雅图华盛顿大学的天文学家杰西卡·沃克在美国天文学会的一次会议上说:“星系就像你和我一样。他们生活在一种持续的混乱状态中。”

自上世纪80年代末和90年代初,理论家预测,来自宇宙大爆炸的原始气体不是均匀地传播在整个空间,而是分布在跨越星系以及它们之间的流动通道。这种“宇宙网”即igm,在星系最初形成和以极快速度生成恒星的时代,较小和较大细丝的网络彼此纵横交错穿梭在浩瀚的太空。

那么宇宙到底把它丢失的质量藏在哪里?或者说宇宙把这么多组成恒星、行星和我们的物质藏在哪里?

大部分的动荡发生在一个巨大的,复杂的环境中,称为环绕介质。这片浩瀚的灰尘和天然气云是星系的燃料来源,废物堆放和回收中心。天文学家认为,星系如何在数十亿年内不断形成新恒星,为什么恒星的形成突然停止,这些最紧迫的星系谜团的答案隐藏在一个星系被包围的环绕介质中。

马丁描述igm弥漫的气体为“暗淡的物质”,将其从明亮的恒星和星系物质以及组成大部分宇宙的暗物质和能量区别开来。宇宙中96%的质量和能量完全由暗能量和暗物质构成,人们可以看到的剩余4%是常态物质。其中的四分之一是由恒星和星系构成,也就是在夜空中明亮的物体;而其余的约3%是igm。

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巴尔的摩太空望远镜科学研究所的天文学家莫莉·皮普斯说:“要了解星系,你必须了解它们所在的生态系统。”

观测结果显示,一个有百万光年长的狭窄细丝流入类星体,也许其助燃了其中这个银河系的生长。同时,还有莱曼阿尔法斑点周围的三个细丝,探测到的自旋表明来自这些长丝的气体流入莱曼阿尔法斑点,正影响着其动态。

于是天文学家花了几十年的时间寻找这种被忽略的东西,即宇宙中大约三分之一的“隐藏”物质。但是,近日科学家认为NASA钱德拉x射线天文台的新方法可能帮助他们找到了这片难以捉摸的广阔失踪物质。这一观点的例证表明,今天的质量缺失存在于被称为暖热星际介质的热气体和热气体的细丝中。

然而,这个星系的大气是如此的分散,以至于它是看不见的,一升的环绕介质只包含一个原子。经过近60年的时间,哈勃太空望远镜的升级才开始探测遥远的环绕介质,并弄清楚它们的不断搅动如何能够制造或破坏星系。

宇宙网络成像仪是一种光谱成像仪,同时在许多不同的波长拍照,使人们不仅有可能看到天体,还能了解其组成、质量和速度。而宇宙丝状物的主要元素据认为是氢,并以称为莱曼阿尔法的特定紫外线波长发光。而地球大气层将紫外线波长的光线阻挡,所以人们需要在地球大气层以外,从卫星或高空气球观测和观察莱曼阿尔法信号。

关于这种细丝,一种观点认为,在星系间空间中,丢失的物质聚集成巨大的由温暖(温度低于10万开尔文)和炽热(温度高于10万开尔文)气体组成的链或丝。这些细丝被天文学家称为“温热星际介质”或奇想。光学光学望远镜无法观测到它们,但在紫外光下已经探测到灯丝中的一些热气体。

直到最近,我们才能够真正地、真实地观测到这个气体周期与星系本身的性质之间的关系。

但是,如果莱曼阿尔法发射的信号远离我们,也就是说,它来自宇宙中的一个较早时间,然后它以一个较长的波长到达。这会把莱曼阿尔法信号转换成可见光谱,使其可以穿过大气层,并被像宇宙网络成像仪这样的地面望远镜探测到。

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有了第一次河外普查,天文学家们现在正在拼凑环绕介质是如何控制其星系的生死的。新的理论研究表明,如果没有媒介的疯狂流动,星系的恒星会有非常不同的排列方式。此外,新的观察表明,一些环绕介质是惊人的庞大。通过新的望远镜和计算机模拟,对环绕介质有了更好的理解,这可能会改变科学家对一切事物的看法,从星系碰撞到我们自己原子的起源。

据每日科学网、物理学家组织网近日报道,宇宙网络成像仪观察到大爆炸之后,大约20亿年是星系快速形成恒星的一段时间。马丁说:“在观察莱曼阿尔法斑点的情况下,我们看到了一个巨大的原型星系的圆盘,直径近30万光年,大小是银河系的3倍。”

是的,利用一项新技术,研究人员基于钱德拉和其他望远镜的数据,发现了关于奇想热成分的新的有力证据。

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马丁说:“我们看到类星体周围的气体细丝和结构,莱曼阿尔法斑点异常明亮。未来的目标是最终能够看到无处不在的星系际介质。这是很难的,不过我们有信心实现。”

据了解,天文学家利用钱德拉来寻找和研究沿着类星体路径上的热气体细丝。类星体是一种明亮的x射线源,由快速增长的超大质量黑洞提供能量。这个类星体距离地球约35亿光年。如果奇想的热气体成分与这些细丝有关,类星体的一些x射线就会被这些热气体吸收。因此,他们在钱德拉探测到的类星体x射线中寻找热气体印记的特征。于是钱德拉对一种名为H1821+643的类星体的观测,这种类星体会产生强烈的x射线信号,他们认为,如果所有这些消失的物质真的隐藏在星系间的细丝中,它就会调整类星体的信号。然后他们可以逆向工作,将他们的预期与他们所看到的进行比较。

研究人员使用明亮的背景光源,如类星体,来了解星系周围的环境介质,即星系周围的弥散气体和金属云。气体在星系和CGM之间循环。

这种方法的一个难点是奇想吸收的信号与类星体发出的x射线总量相比是微弱的。当搜索不同波长的x射线的整个光谱时,很难将这种微弱的吸收特征与随机波动区分开来。

等待哈勃望远镜

但是科学家们克服了这个问题,他们将搜索重点集中在x射线光谱的某些部分,减少了误报的可能性。他们首先识别类星体视线附近的星系,这些星系距离地球的距离与紫外线数据探测到的暖气体区域的距离相同。通过这项技术,他们确定了类星体和我们之间的17种可能的细丝,并获得了它们之间的距离。

2009年哈勃望远镜的升级,使得环绕介质普查成为可能,但几乎没有发生。

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巧合的是,哈勃望远镜的主要拥护者也是第一批发现如何观测星系环绕介质的天文学家。普林斯顿大学的莱曼·斯皮策和新泽西州普林斯顿高级研究所的约翰·巴赫尔以及其他天文学家在1963年发现类星体后发现了一些奇怪的东西,这些明亮的信标现在被认为是围绕遥远星系中心超大质量黑洞的热盘。

我们知道宇宙的膨胀使得光在传播的过程中会被拉长,而科学家发现的这些长丝中物质对x射线的任何吸收都会被转移到更强的波长。这种位移的大小取决于到灯丝的已知距离,因此研究小组知道在光谱中从哪里寻找突发奇想的吸收。

天文学家到处都看到,类星体的光谱都带有缺口。一些波长的光没有通过。

在缩小搜索范围的同时,研究人员还必须克服x射线吸收微弱的问题。因此,他们通过将17根细丝的光谱加在一起来增强信号,将一个5.5天的观测结果转化为几乎相当于100天的数据。通过这项技术,他们探测到氧的特征,表明它存在于温度约为100万开尔文的气体中。

1969年,斯皮策和巴赫尔意识到了正在发生的事情:丢失的光被星系边缘的气体吸收,这种物质后来被称为环绕介质。天文学家们一直在观察类星体,这些类星体通过环绕介质发光,就像大灯穿过雾一样。

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不过,当时也没什么可做的了。地球大气层也吸收同样波长的光,因此很难分辨出星系的环绕介质中有哪些挡光原子,哪些来自离家较近的星系。知道环绕介质存在是一回事,测量它需要额外的东西。

研究人员报告说,通过从这些氧的观测中推断出全部的元素,从观察到的区域推断出局部宇宙,他们可以解释缺失物质的全部数量。至少在这个特例中,失踪的物质毕竟是一时兴起而隐藏起来的。

斯皮策和巴赫尔知道他们需要什么:一台能够从地球大气层外观测的太空望远镜。

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巴赫尔从未停止过对哈勃的倡导。2005年2月,在他死于一种罕见的血液疾病,享年70岁。去世前六个月,他在“洛杉矶时报”上发表了一篇文章,敦促美国国会恢复资助一项修复一些老化的哈勃仪器的任务,美国宇航局在2003年哥伦比亚航天飞机灾难后取消了这项任务。

总之,研究小组用这种定向方法识别出了17种不同的细丝。研究人员利用他们的观察结果来计算这些细丝中实际上隐藏了多少质量。这些计算表明,在宇宙的这片区域,无论如何,缺失的质量确实隐藏在这些长丝结构中。

“这不仅关系到一项恒星技术,而且关系到我们对人类最根本的追求–理解宇宙–的承诺,”巴赫尔和他的同事写道,“哈勃望远镜最重要的发现可能在未来。”

他的请求得到了回应:亚特兰蒂斯号航天飞机在2009年5月最后一次为宇航员修复哈勃望远镜。在修复过程中,宇航员们安装了宇宙起源光谱仪,它可以比以往任何仪器都高出30倍的灵敏度探测到扩散的环绕介质气体。虽然哈勃早期的光谱仪每次都能探测到一些类星体光束,但新设备让天文学家利用更暗的类星体的光,在数十个星系周围进行搜索。

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由巴尔的摩太空望远镜科学研究所的杰森·托姆林森(Jason
Tumlinson)领导的一个团队,从哈勃望远镜的角度,编制了一份44个星系的星表,其中还有一颗类星体。在2011年发表在“科学”杂志上的一篇论文中,研究人员报告说,每次他们观察距离星系49万光年以内的星系时,他们都会看到光谱上贴满了原子吸收光的空白斑点。这意味着环绕介质并不是几个星系穿特有的,他们到处都是。

托姆林森的研究小组在哈勃望远镜升级后的头几年里。该小组测量了星系的环绕介质的质量和化学组成,发现它们是巨大的重元素蓄水池。仅在氧气中,环绕介质就含有1000万倍于太阳质量的物质。在许多情况下,环绕介质的质量相当于整个星系可见部分的质量。

这一发现为一个长期存在的宇宙谜团提供了答案:星系如何有足够的恒星形成燃料来维持数十亿年?星系以恒定的速率从塌缩的冷气体云团中形成恒星。例如,银河系每年产生一到两颗质量相当于太阳质量的恒星。但是在星系的可见部分,也就是包含恒星的圆盘内,没有足够的冷气体来支持观测到的恒星形成速率。

“我们认为气体可能来自环绕介质,”杰西卡·沃克说,“但是,气体究竟是如何进入星系的,它是从哪里进入的,它进入的时间刻度,有什么东西阻止它进入吗?这些都是让我们晚上睡不着觉的大问题。”

沃克和皮普斯意识到,所有这些质量可以帮助解决另外两个宇宙簿记问题。所有重过氦的元素都是由恒星心中的核聚变形成的。当恒星耗尽它们的燃料并以超新星的形式爆炸时,它们会将这些金属分散开来,折叠成下一代恒星。

但是如果你把恒星中的所有金属,气体和尘埃加在一个星系的圆盘上,这还不足以解释这个星系曾经制造过的所有金属。如果把氢、氦、电子和质子,基本上是自大爆炸以来应该在银河系中收集的所有普通物质包括在内,这种失配情况就会变得更糟。天文学家称所有这些为重子。星系似乎丢失了70%到95%的物质。

因此沃克和皮布尔斯领导了一项全面的工作,用哈勃新的光谱仪对大约40个星系中的所有普通物质进行计数。研究人员在2014年的“天体物理学杂志”上发表了两篇论文。

当时,沃克报告说,星系丢失的普通物质中至少有一半可以在它们的环绕介质中找到。在2017年的一次更新中,沃克和他的同事发现,星系环绕介质中以冷气体形式存在的重子质量可能接近900亿太阳质量。“显然,这种质量可以解决银河系丢失重子的问题。”该小组写道。

研究人员对丢失的材料应该在哪里做了一个假设,并做出了预测。该小组进行了观察,以检验这些预测,并找到了它所寻求的。

在另一项研究中,皮布尔斯发现,虽然金属出生在星系的星盘中,但这些金属并不会留在那里。星系产生的金属中只有20%到25%的金属残留在圆盘中的恒星,气体和尘埃中,金属可以被纳入新的恒星和行星中。其余的可能最终在环绕介质中。

托姆林森说:“如果你观察星系在其整个一生中产生的所有金属,其中更多的金属在星系外之外,而不是仍然在银河系内部,这是一个巨大的冲击。”

回收中心。

那么金属是如何进入环绕介质的呢?类星体的光谱对这个问题没有帮助。它们的光在某一时刻只显示一片穿过单个星系。但是天文学家可以通过基于恒星和气体行为的物理规则的计算机模拟来追踪星系的生长和发展。

这一策略揭示了星系环绕介质中气体的搅动、不断变化的本质。荷兰莱顿大学(Leiden
University)推出的“星系及其环境的演化与组装”等模拟研究表明,金属可以通过恒星的猛烈生命到达在环绕介质的:在强大的辐射风中吹离大量的年轻恒星,并在超新星的死亡阵痛中喷射金属。

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然而,一旦金属进入环绕介质,它们并不总是保持不变。在模拟中,星系似乎一次又一次地使用相同的气体。

“这基本上只是引力。”皮普斯说,“把棒球扔起来,它就会回到地上。”从星系流出的气体也是如此:除非气体的传播速度足够快,足以逃离星系的引力极限。否则这些原子最终会回到星系中,形成新的恒星。”

一些模拟显示,离散气体包从一个星系的盘旅行到环绕介质,然后再返回几次。环绕介质和它们的星系一起是巨大的回收装置。

这意味着组成行星、植物和人类的原子在成为我们的一部分之前,可能已经多次进入银河系。在数亿年的时间里,最终成为你们一部分的原子旅行了几十万光年。

“这是我最喜欢的事情,”托姆林森说,“在某种程度上,你的碳、氧、氮、铁都在星系间的空间里。”

星系是如何死亡的。

但并不是所有的星系都能拿回它们的环绕介质气体。失去气体可能会永远关闭星系中恒星的形成。没有人知道恒星的形成是如何关闭或停止的。但答案可能在环绕介质中。

星系有两种主要的形式:正在形成恒星的年轻螺旋星系,和恒星正在熄灭的古老星系。

托姆林森说:“星系是如何熄灭的,为什么会保持这种状态,这是星系形成过程中最重要的问题之一。这只是与气体供应有关。”

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使用来自类星体的光,研究人员可以“看到”CGM。在这个例子中,来自两个星系G1和G2的光谱在CGM原子吸收光的地方某些波长缺失。

在先前发表的一篇论文提出了一种可能性,那就是超新星加热的气体喷射可能会从星系中剥离出来。威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家查德·巴斯塔德(Chad
Bustard)和他的同事们模拟了银河系的卫星星系–大麦哲伦星云,发现这个小星系流出的气体被银河系周围运动的轻微压力一扫而空。

或者,死星系的环绕介质气体可能太热,无法沉入星系形成恒星。如果是这样的话,恒星形成星系应该有充满冷气体的环绕介质,而死星系应该被热气体覆盖。热气体会像热气球一样漂浮在星系盘上方,浮力太大,无法下沉形成恒星。

但哈勃却看到了相反的一面。恒星形成的星系中有大量的氧VI–意味着气体非常的热(一百万摄氏度或更高),氧原子失去了它们原来的五个电子。死亡星系的氧含量惊人的少。

2016年,科罗拉多大学博尔德分校的计算天体物理学家本杰明·奥本海默提出了一个解决方案:“死”星系根本不缺氧。这气体太热了,哈勃望远镜无法观测到。事实上,这些被动星系周围甚至有更多的氧气。

所有这些热气体都有可能解释这些星系死亡的原因,除了这些星系也充满了恒星形成的冷气体。

托姆林森说:“死亡的星系有足够的燃料留在油箱里。我们不知道他们为什么不使用它。每个人都在追逐这个问题。”

直到最近,观察者还无法绘制出单个星系的环绕介质图。研究人员不得不将几十个类星体束相加,才能平均地了解他们的组成。

使用两种新光谱仪的团队–夏威夷凯克望远镜上的凯克宇宙网络成像仪和智利甚大望远镜上的多单元光谱探测器缪斯,正在竞相改变这种状况。这些仪器被称为积分视场光谱仪,可以同时读取整个星系的光谱。如果有足够的背景光,天文学家现在可以检查单个星系的整个环绕介质。最后,天文学家有一种方法来测试气体如何循环进和出星系的理论。

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智利圣地亚哥大学的天文学家塞巴斯蒂安·洛佩兹和他的同事们带领的一个智利研究小组,使用缪斯来观测一个小的暗星系,这个星系恰好夹在一个明亮、遥远的星系和一个离地球较近的大星系群之间。星系团作为一个引力透镜,将遥远星系的影像扭曲成一条长而明亮的弧线。来自这条弧线的光在56个不同的点透过穿过夹层星系的环绕介质。

令人惊讶的是,G1的环绕介质是不稳定的,不像预期的那样顺利。洛佩兹说:“人们一直认为气体在每个系统中都是均匀分布的。事实并非如此。”

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来自源星系的光被中间星系团偏转和放大,形成在最右侧的投影图像中看到的明亮弧。与类星体的狭窄光束不同,广泛的弧形照亮了大部分星系G1的CGM,显示出令人惊讶的细节。

奥米拉领导着一个非常关注洛佩兹踪迹的小组。去年,当KCWI被安装的时候,奥米拉得到了一个小时的观测时间,并且能够在另一个星系的环绕介质中看到氢,这是与冷的恒星形成气体相关的,由一个明亮的弧线背光。他还没有准备好详细讨论研究结果,但研究小组正在向“科学”杂志提交一篇论文。

与此同时,皮布尔斯的团队正在重新审视电脑如何呈现环绕介质。她说:“在模拟中,环星系介质的分辨率很差。现有的模拟很好地匹配了星系的可见属性–它们的恒星、恒星之间的气体以及整体的形状和大小。但他们完全无法再现银河系介质的特性。”

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因此,她正在运行一套名为FOGGIE的新模拟程序,首次将重点放在环绕介质上。“我们发现它改变了一切,”她说:“形状,恒星形成历史,甚至银河系在太空中的方向看起来都不一样。”

总之,新的观测和模拟表明,环绕介质在星系生命周期中的作用被低估了。皮布尔斯等理论家和奥米拉等观察家正在共同努力,对环绕介质的外观做出新的预测。然后,研究人员将检查真正的星系,看看它们是否匹配。

虽然未来的银河系研究将集中于从完整的环绕介质收集光谱,托姆林森希望在他还能从哈勃望远镜中提取更多的信息。哈勃望远镜使环绕介质研究成为可能,但这台望远镜已经使用了28年,可能还剩下不到10年的时间。哈勃的光谱仪仍然是观察环绕介质中某些原子的最好工具,以帮助揭示气态晕的秘密。