哈勃望远镜上天27年都干了些啥,索伦之眼

2019-05-03 14:35栏目:澳门新葡亰手机版登录网址

图片 1星系NGC 4151,又被称为“索伦之眼”。这张照片显示了星系中心仍在活动的超大黑洞。黑洞周围的炽热气体发出紫外辐射(中央处的蓝色),更外圈的尘埃环则发出红外辐射(外侧的红色)。图片来源:NASA

6200万光年外新天尺:索伦之眼量星系

4月24日是中国航天日。之所以选择这一天为中国的航天日,是因为1970年4月24日,中国成功发射了第一颗人造地球卫星“东方红一号”。

测量宇宙中极其遥远的距离,是天文学的重大难题之一。目前最常用的方法都只能测量相对距离,不过现在,丹麦尼尔斯玻尔研究所(Niels Bohr Institute)的科学家证明,利用超大质量黑洞,他们能精确测量出遥远的星系距离。这项研究发表在11月27日出版的《自然》(Nature)杂志上。

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他们测出距离的这个天体名为NGC 4151,是一个体形不大的旋涡活动星系。由于形似电影《魔戒》里索伦魔眼的形象,这个星系又被昵称为“索伦之眼”。在它的中心有一个超大质量黑洞,而且这个黑洞仍在活跃,也就是说它还在从周围吸积气体——正是这个过程,使得天文学家有可能来测量它所在的星系到我们地球的距离。

科学家们精确测出星系NGC 4151的距离值为6200万光年,而现在这一测量数值可以被用作测算其他天体距离的量天尺。在这张照片中,超大质量黑洞吞噬气体尘埃物质时发出的剧烈X射线辐射形成了中间蓝色的“眼珠”,而周围的红色环状结构则是氢原子物质。

图0:哈勃空间望远镜。由亚特兰蒂斯号航天飞机执行任务离开时拍摄。

图片 4气体落向黑洞时,会被加热,并发射出紫外辐射。这些紫外辐射加热更外侧的尘埃环,使之发出红外辐射。利用地球上的望远镜,天文学家能够测量紫外线和红外线之间的时间延时,大约是30天。图片绘制:Marie Dyekjær Eriksen

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而二十年后的1990年4月24日,一个从此开启了天文新时代的望远镜——哈勃空间望远镜乘坐探索号航天飞机升空;到今天刚好27个年头。今年为了给哈勃望远镜庆祝在太空的第27个生日,NASA按照惯例推出一张照片作为纪念。

丹麦哥本哈根大学尼尔斯玻尔研究所暗宇宙学中心助理教授达拉克·沃森(Darach Watson)解释说:“当气体落向黑洞时,它会被加热,发射出紫外辐射。这些紫外辐射会加热一个尘埃环,后者在更远的距离上环绕黑洞运行。而被加热的尘埃,又会因此发射出红外辐射。利用地球上的望远镜,我们能够测量来自黑洞的紫外辐射和来自尘埃云团的红外辐射之间存在的时间延迟。这个时间延迟大约是30天,而我们又确切知道光速有多快,于是我们便能计算出黑洞和环绕它的尘埃环之间,到底间隔了多少真实的物理距离。”

星系NGC 4151一般被天文学家们称为“索伦之眼”,因为它与指环王中的一个角色眼睛的样子相似。这个星系对于精确测定黑洞的质量非常重要。并且,就如同指环王中的剧情一样,在这种新方法中,“环”的确起着非常关键的作用。

今年的庆生照是一张有两个漩涡星系——NGC4302和NGC4298——在同一张图上的照片,两个星系在外形上都与银河系类似,一个以侧面对着我们,另一个则以70度角面对我们。这让我们似乎能够在一张图中同时看到银河系的正视图和侧视图。

利用位于美国夏威夷莫纳克亚山顶上的两台口径10米的凯克望远镜,并通过被称为“干涉测量”(interferometry)的方法将两台望远镜接收到的星光合并在一起,便能获得极其清晰的影像,等效分辨率相当于一台口径85米的望远镜(这也是两台凯克望远镜的间距),要比哈勃空间望远镜高出100倍。这让天文学家有能力测量黑洞周边的尘埃环在我们地球的夜空中呈现出来的张角大小,大约为1°的1200万分之一。现在,你知道了这个尘埃环的真正物理尺寸(30光天),也知道从地球上看过去它有多大,它到地球的距离就可以用简单的几何公式计算出来了。

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图片 8两台口径10米的凯克望远镜联手观测,便能获得极其清晰的影像,等效分辨率相当于一台口径85米的望远镜。图片来源:NASA

对环形结构的观测动用了红外干涉测量方法。具体来说就是将两台位于夏威夷莫纳克亚山顶的10米口径大型望远镜相连接,从而达成相当于口径85米望远镜的分辨精度。

图1:哈勃望远镜拍摄的NGC4302(左)和NGC4298(右)在光学和近红外波段的图像。

沃森说:“我们计算得出的距离是6200万光年。此前,根据宇宙学红移(由于遥远的星系都在远离我们而导致的星光波长的改变)计算的距离介于1300万到9500万光年之间。因此,我们已经消除了大量的不确定性,现在能够精确测量这个距离了。对于测量宇宙级别的距离来说,这个结果非常重要。”

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但我们或许更想问:哈勃上天都27年了,都干了啥呢?

这项研究主要是由沃森和塞巴斯蒂安·霍尼格(Sebastian Hönig)合作完成的。霍尼格是这项研究的第一作者,原本也在尼尔斯玻尔研究所工作,现在已经跳槽去了英国的南安普敦大学。

当气体物质向着黑洞下落,在此过程中会被加热并发出紫外波段附设,并造成周遭尘埃云的升温。利用地球上的望远镜,科学家们测量了来自黑洞附近以及尘埃云附近光线抵达的时间差,结果为30天。根据这一数值便可以换算出其真实距离值。

图2: 哈勃望远镜最具代表性的图像之一是鹰星云(M16)的这一部分。

“最重要的发现之一是,用这种新方法测量的距离相当精确——准确率达到90%。”霍尼格说,“事实上,这种基于简单几何原理的测距方法,为遥远的星系提供了最精确的距离测量。不仅如此,与目前的测距方法相比,新方法在许多天体上还更容易使用。这样的距离测量是确定宇宙膨胀参数的关键,也有助于更精确地测量黑洞的质量。事实上,NGC 4151就是一个关键,可以校准估算黑洞质量的不同方法。我们测得的新距离暗示,对黑洞质量的估测整体上可能偏低了40%。”

新浪科技讯 北京时间11月28日消息,据英国《每日邮报》报道,利用一个被称作“索伦之眼”的遥远星系,天文学家们发展出一种可以精确测量距离数千万光年外星系的新方法。

一、宇宙在加速远离我们

目前,霍尼格和沃森正与其他同事合作,制定一个新的计划,将他们的新方法扩展到更多的活动星系核上。他们的目标是,利用这种技术精确测量十几个星系的距离,再利用这些距离将宇宙学参数精确到百分之几的误差范围之内。这将帮助我们更好地理解我们所处的宇宙膨胀的历史。(编辑:Steed)

研究人员对一个编号为NGC 4151的遥远星系进行了精确的距离测定,所采用的方法是将其黑洞周围的尘埃环带实际大小与从地球上观察得到的大小值进行比对。这样换算下来得到的距离值大约为6200万光年。有了这一数据,之后天文学家们便可以将其作为标准“量天尺”,对其他遥远的星系进行度量。

我们的宇宙在膨胀。大约在一个世纪以前,埃德温·哈勃测量了到我们宇宙的膨胀速率(H=v/d,其中v是星系退行的速率,d是星系到我们的距离)。这个值我们称为哈勃常数,由它我们可以算出宇宙的年龄、尺寸,甚至宇宙的命运。但是在哈勃望远镜发射升空之前,哈勃常数的测量结果十分不精确,我们由此算出的宇宙年龄只能限定在100亿到200亿的范围内。

天文学中的主要问题之一便是对广袤空间距离的测量。目前采用最多的方式就是所谓的“标准烛光”——这种方法的核心思想是利用已知亮度的特定类型恒星作为标尺,再根据它们的观测亮度来反推距离。但现在,来自英国南安普顿大学以及丹麦尼尔斯:玻尔研究所的科学家们证明了,我们可以利用超大质量黑洞的一些特性作为标尺,来对遥远的天体距离进行测量。

图3:天文学家用造父变星亮度周期的改变来测量其所在星系的距离。图中箭头所指的是哈勃望远镜观测到的仙女座星系中一个造父变星。

英国南安普顿大学的塞巴斯蒂安:霍宁格(Sebastian Hoenig)博士建立了一个模型,其原理与地球上开展的陆地调查方法相类似。简单来说,其原理就是测量被观测对象与已知标准“量天尺”之间的物理以及观测大小,从而通过这种方式对距离信息进行校正。

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有关这项工作的论文已经在《自然》杂志发表。在这篇文章中,研究组利用这种方法精确测定了距离“较近”的星系NGC 4151 的距离,这一距离此前尚未被精确测出过。

图4:某些超新星的特征最大亮度可以用来测量它们与地球的距离。提高对天体距离的测量精度能够让天文学家更好的计算出宇宙的膨胀率。图中分别是哈勃望远镜在1995年和2002年在同一天区拍摄的图像,箭头所指的地方则是在此期间出现的一颗超新星。

星系NGC 4151一般被天文学家们称为“索伦之眼”,因为它与指环王中的一个角色眼睛的样子相似。这个星系对于精确测定黑洞的质量非常重要。并且,就如同指环王中的剧情一样,在这种新方法中,“环”的确起着非常关键的作用。

而现在天文学家用哈勃望远镜的数据算出的哈勃系数,可以把宇宙年龄限定在138亿年左右,可以说精确度提升了不少。

宇宙中所有的大型星系中央几乎都存在着超大质量的黑洞,并且其中大约有1/10的情况下,这些黑洞还在通过吞噬周边气体和尘埃物质而不断成长。在这一过程中,高速下落的物质会被加热而发出强光——这就是宇宙中已知最为剧烈高能辐射现象之一:活动星系核的成因。另外,下落的物质不会直接直线下坠,而是会在围绕超大质量黑洞形成一个环形结构并在红外波段发出辐射,而这一结构正是这项研究中被科学家们用作标准量天尺的工具。

然而除此之外,令天文学家感到吃惊的是,从哈勃望远镜的观测结果中发现,宇宙不仅仅是在膨胀,而且是在加速膨胀——这个发现获得了2011年的诺贝尔物理学奖。

然而,这一环形结构实在太小,以至于对其进行的观测不得不动用了红外干涉测量方法。具体来说就是将两台位于夏威夷莫纳克亚山顶的10米口径大型望远镜相连接,从而达成相当于口径85米望远镜的分辨精度。

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为了测量这一尘埃环结构的物理大小,研究人员测量了来自靠近黑洞边缘位置上的可见光以及环结构红外辐射之间的时间差。这一时间差代表的是从接近黑洞的环结构边缘出发的光传播到环结构外缘(高温尘埃物质分布区)所花费的时间。

图5:宇宙的加速膨胀。时间轴自下而上。

通过对比用这种方法得到的环结构真实大小以及通过联合两台凯克望远镜测得的观测大小,研究人员得以推算出其真实距离。对于这一星系,此前的测量数据大约是在1300万~9500万光年之间,但采用这种新方法进行测量,得到的数值是确定的6200万光年左右。

科学家们认为宇宙的这种加速膨胀可能是由弥漫在整个宇宙中的所谓“暗能量”引起的。据现有的估计,暗能量大约占整个宇宙能量的68%(另外28%是暗物质,只有4%为我们能够看到的恒星、行星或气体这些物质),对宇宙起着负压的作用,推着宇宙加速地膨胀。但很遗憾,依靠现在的技术还很难直接测量到暗物质的存在。

霍宁格博士表示:“一项关键性的成果是,借助这种方法测算得到的距离值是相当精确的,其误差范围小于±10%。”他说:“事实上,如果针对星系NGC 4151的这一测量结果被证明是确凿的,并且也可以推广到其他星系,那么这种方法将有望在精度上击败所有现有的距离测量方法,仅仅借助简单的几何运算方法便可以直接测算出遥远星系的距离值。另外,相比现有最精确的测量方法,这种新方法适用的天体范围也更广。这样精确的距离测量对于限定宇宙常数具有重要意义,而后者则是描述我们所在的宇宙,或精确测算黑洞质量方面至关重要的参数。”

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霍宁格博士表示:“在估算黑洞质量方面,星系NGC 4151是重要的校准基准。而我们得到的最精确距离测算结果却显示此前对这些黑洞质量的估算都存在着系统性低估的倾向,低估的程度最高可能达到40%。”

图6:宇宙中暗能量、暗物质和明物质(我们现在所能看到的一切)的比例。

霍宁格博士和其他来自丹麦和日本的同事们目前正在开发一个新的程序,以便进一步扩展他们的工作,并运用这种新方法尝试测算数十个星系的精确距离值,从而能够将其误差范围降低到数个百分点的水平。当与其他测量结果相结合之后,这一成果将会加深我们对于宇宙膨胀历史的理解。

二、记录星系的成长历程

眼形恒星“索伦之眼”系统内发现新行星

就像我们用相簿记录孩子的成长历程一样,天文学家用哈勃给不同宇宙学时间上的星系进行“拍照”,记录下了宇宙中星系的成长历程。

4300万光年外星系核心区域似“索伦之眼”

我们怎么知道宇宙过去的样子呢?这主要得益于一条简单的数学关系:哈勃向深空中看得越深,在时间上就越久远。距离越远(也就是时间上越早)的星系越小,且越不规则;反之,则巨型、规则的漩涡星系和椭圆星系就越多。这表明,星系之间随着时间地推移在不断地融合,渐渐地变成了我们现在所看到的巨大星系。

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图7:哈勃望远镜超深空场。这是哈勃望远镜拍摄的最远的深空之一。拍摄这样照片累计曝光时间约一百万秒(11天)。

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图8:哈勃超深空场中一些星系,它们距离遥远,星体模糊,形状不规则,且互相影响。

星系的演化从未停歇,天文学家通过哈勃望远镜对我们近邻的仙女座星系M31的进行观测,发现尽管这个星系离银河系有250万光年远,但是在引力作用下它在不断地向银河系靠拢,预计M31将在40亿年后与我们的银河系相撞。到那时候,它们两个将会融合成一个巨大的椭圆星系。

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图9:M31。

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图10:本星系群。M31与银河系是本星系群中两个较大的星系,它们不断的吸收周围的矮星系壮大自己,同时两者也在不断地靠近,预计将于40亿年后碰撞。

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图11:椭圆星系。椭圆星系一般质量更大,它是很多星系融合的结果。

三、看到太阳系外的世界

在1990年哈勃望远镜发射之前,天文学家从来都没有发现一颗太阳系外的行星;而现在科学家已经确认了超过3000颗系外行星。其中大多数都是由NASA的开普勒卫星以及一些地基望远镜发现的。但哈勃望远镜在行星搜寻中也有其独特的贡献。

首先,天文学家用哈勃望远镜的观测数据能测出系外行星的大气成分。观测发现,尽管大多数系外行星对生命来说都过于炎热而无法生存,但是在一些行星上存在构成生命的基本成分。

此外,哈勃望远镜也是第一个在光学上观测到系外行星的。这颗行星在25光年外,绕着北落师门(一颗恒星)旋转,离北落师门的距离大概是土星到太阳距离的十倍。

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图12:天文学家用哈勃拍摄的第一张系外行星的光学照片,该行星被命名为北落师门b。

四、“照亮”暗物质

现在的物理学家们普遍认为,暗物质是一种不可见的物质形式(简单的理解就是不发光),它构成了宇宙物质的大部分质量,也是由暗物质形成了宇宙现在的这种结构。暗物质的引力会驱使着普通物质(气体或尘埃)聚集并形成恒星和星系。尽管天文学家不能看到暗物质,但他们能够通过大质量星系群(含有暗物质)的引力效应(能够使它背后更遥远星系的光线发生弯曲,这种现象称为引力透镜)来探测其中的暗物质。

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图13:这个图显示了引力透镜下一个遥远星系的光路。

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图14:在SDSSj1004 4112星系群的图像上,引力透镜使一个背景星系产生了三个扭曲的像,另外一个背景类星体产生了五个像。

通过哈勃望远镜锐利的视场,天文学家通过引力透镜现象及逆向工程,绘制出了空间中暗物质的分布情况。结果发现,宇宙中暗物质大约是普通物质的五倍,且以网状结构分布;而大质量的可见结构(像星系群、星系团等)往往都分布在这些网状结构交叉的地方。

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图15:这两张图显示的是大质量星系群CI0024 17。可见光图像中,在黄色星系中有蓝色的弧,这些弧就是引力透镜下背景星系失真后的图像。蓝色叠加的图像显示了实现这种引力失真,所需要的暗物质密度分布。

五、巨型黑洞无处不在

哈勃望远镜发现,几乎每一个星系的中心都存在一个巨大的黑洞,这些黑洞有百万个到十亿个恒星质量那么大。此外还发现这些黑洞的尺寸和其宿主星系的质量相关。哈勃星系普查表明,黑洞的质量取决于其宿主星系星系核中恒星的质量:星系越大,黑洞也越大。这种关系说明黑洞是伴随着星系一块儿成长的,黑洞会吞并星系的一部分质量。

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图16:根据哈勃的光谱图合成的图像。研究人员发现许多星系中心都存在一个巨型黑洞。NGC3379和NGC3377分别包含着一个5000万个太阳质量和1亿个太阳质量的黑洞;NGC4486B在其核心包含两个黑洞。

六、研究外地行星和它们的卫星

哈勃望远镜见证了太阳系内的小天体对木星的影响。它于1994年观测到休梅克-莱维9号彗星的21个碎片依次撞入木星——这是天文学家第一次看到这样的事件——每一次撞击都在木星的表面留下一个乌黑的“伤疤”。最近的一次是在2009年,一颗小行星撞入木星,留下一个太平洋大小的黑色痕迹。

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图17:休梅克-莱维9号彗星造成的影响(从右下到左上)。

木星表面著名的“大红斑”(一个尺寸有地球那么大的大风暴)从19世纪早期人类观测到它以来已经连续存在了数百年。这个巨大的风暴在最近80年却在不断地收缩。天文学家们现在用哈勃望远镜定期地测量它的尺寸,以调查它为什么会渐渐地消失。

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图18:木星的“大红斑”。它以300英里/小时的速度在木星表面运动。

极光是具有磁场的行星大气上层发光的一种现象。带电的粒子在行星磁场作用下会偏向磁场的南北极,这些高速粒子轰击到大气上层的原子和分子,就会产生漂亮的极光现象。这种现象不仅在地球上有,土星和木星上也有。下面是哈勃望远镜第一次拍摄到木星和土星南、北极的极光。

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图19:土星的极光。

在寻找地外生命研究中,木星的卫星占据着很重要的位置。哈勃在木卫三(太阳系内最大的卫星)地下发现了一个巨大的盐水海,据估计其含水量比地球表面全部的水还要多。此外哈勃还观测到木卫二表面大气的变动,天文学家认为这可能是由地下海水喷发而造成的。寻找液态水,在寻找地外生命的研究中至关重要。

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图20:哈勃在木卫二上模糊的地方发现氧和氢,这是构成水分子的两种元素。科学家认为这极有可能是水。

​(未完待续)

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编译:Camelion

审校:山寺小沙弥

编辑:Alex Yuan

来源:中科院物理所(cas-iop)

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