正在阅读: 某些天文学家竟然和小朋友喜欢同样的东西
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

某些天文学家竟然和小朋友喜欢同样的东西

来源:光明网2018-07-04 10:09

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

    某些天文学家竟然和小朋友喜欢同样的东西……

    说到氢,它是小朋友和天文学家最喜欢的元素之一。氢气球让小朋友们有了很多乐趣(当然,由于氢气球的危险性,现在氢气球逐渐被氦气球替代了)。氢也是宇宙中最丰富的元素,是形成恒星和星系的重要原材料。很多星系中充满了原子氢气体(有些星系就没什么气体),不过星系不会像氢气球一样飞起来哦!

    氢聚变产生的能量点亮了恒星,让太阳发出了光和热,温暖了地球,让万物得以生长。星系中的氢元素除了形成恒星,还有一部分会剩下来,以中性氢原子形式存在,我们称之为中性氢。

    星系中的中性氢气体虽然总质量通常比恒星的总质量少,但分布却非常广泛。观测中,旋涡星系的恒星盘尺度通常只有中性氢分布尺度的三分之一。也就是说,在星系外围,已经看不到星光的地方,还有大量中性氢气体(图1)。

某些天文学家竟然和小朋友喜欢同样的东西

    图1: 旋涡星系M51,中性氢成图(深蓝色)叠加在光学图像上(颜色偏白的部分是M51的光学图像,图中的白点是前景恒星)(来源:NRAO/AUI and Juan M. Uson, NRAO)。

    中性氢原子在没有吸收光子的情况之下,自身也会产生辐射。这是因为处于基态的中性氢原子的电子自旋和核自旋相互作用,会从电子自旋从与核自旋平行的高能态跃迁到与核自旋反平行的低能态,发出波长为21厘米、频率为1420.4057517667 MHz的射电谱线,这就是中性氢21厘米谱线(图2)。

    尽管这个跃迁概率很低,然而因为在宇宙中存在的氢原子个数异常众多,所以能够一直探测到来自于宇宙氢原子的这种特征辐射。正是利用这条谱线,天文学家从而可以推断宇宙中中性氢原子的分布。由于这条谱线是射电天文的重要频段,这个频段受到保护,其他业务不得占用。

某些天文学家竟然和小朋友喜欢同样的东西

    图2:中性氢21厘米谱线的原理(来源:Wikipedia)。

    当中性氢原子与我们保持相对静止时,中性氢21厘米谱线的频率为静止频率1420.4057517667 MHz。当中性氢原子朝向我们和远离我们运动时,21厘米谱线的频率会发生多普勒移动,朝向我们时频率升高,远离我们时频率降低。所以通过测量21厘米谱线的频率我们就可以知道远处中性氢气体的运动速度。我们正是通过这个原理测量了银河系及河外星系中的中性氢的运动状态。

    前面说过,中性氢在星系中的分布比恒星广泛,这也使得通过中性氢的观测可以看到光学观测看不到的信息。一些相距比较近的不同星系从通常的光学观测看起来没有什么异常,而中性氢观测却可以发现星系间的中性氢气体发生相互作用(图3)。

某些天文学家竟然和小朋友喜欢同样的东西

    图3:中性氢观测可以看到光学观测尚难发现的星系间的相互作用(来源:SKA)。

    通过中性氢观测,天文学家也测定了一些星系的旋转速度。结果发现很多星系都转得太快了(图4)!不是说转得太快有问题,而是说转得那么快,星系中的中性氢气体还没有散开。

    大家可能对没有挡泥板的自行车经过水坑时有所体会,在车速不快的时候没有什么问题,但是在车速快时,会甩一背脊泥。中性氢气体也类似,在星系转得快的时候,如果没有足够的引力,理论上这些气体应该被甩出星系,可是观测却不是这样的。因此天文学家猜想星系中存在一些看不见的物质,提供了额外的引力,从而保证了星系中的中性氢气体不散开。这些看不见的物质就是“暗物质”。

某些天文学家竟然和小朋友喜欢同样的东西

    图4:星系的外围旋转速度比预计的要快很多。天文学家因此猜测存在暗物质(来源:Queen's University)。

    为了观测中性氢,天文学家需要借助射电望远镜。射电望远镜原理和电视天线类似,一般通过反射面将信号汇聚起来,由接收机接收、放大,进行后续处理。

    世界上已经建成了很多射电望远镜,其中比较著名的有美国的阿雷西博(Arecibo)望远镜(图5)、绿岸望远镜(GBT)、德国的艾菲尔斯伯格(Effelsberg)望远镜、澳大利亚的帕克斯(Parkes)望远镜。这些望远镜都进行过中性氢观测。

某些天文学家竟然和小朋友喜欢同样的东西

    图5:Arecibo望远镜(来源:H. Schweikerm, NAIC, Arecibo Observatory)。

    Arecibo望远镜的ALFALFA中性氢巡天找到了数万个中性氢星系,GALFA巡天对银河系中的中性氢进行了成图。GBT由于几乎没有驻波的影响,对中性氢柱密度测量有很高的精度。GBT对星系间的中性氢进行了一些成图。Effelsberg和Parkes望远镜共同完成了目前最精细的全天中性氢成图(图6)。

某些天文学家竟然和小朋友喜欢同样的东西

    图6:Effelsberg和Parkes望远镜共同完成的HI4PI全天中性氢成图(来源:HI4PI Collaboration)。

    我国已经建成的FAST望远镜未来最重要的科学目标之一就是进行中性氢观测,包括搜寻河外中性氢星系和银河系内的中性氢成图。相比之前的中性氢观测,FAST可以找到更多的中性氢星系,使我们了解质量更小的中性氢星系的性质。

    FAST也能测定更多、更好的近邻星系旋转曲线,对暗物质模型给出更好的限制。FAST也能对可见天区内的河内中性氢进行更精细的成图,发现星际介质中的更多细节。

    受到带宽和频率分辨率的限制。以往河内和河外中性氢观测通常是分别进行的,不过,FAST的19波束接收机(图7)覆盖1.05 GHz-1.45 GHz频段,带宽相对较宽,从一开始就对多目标同时观测进行了考虑。

    (参见FAST多科学目标同时扫描巡天网站:crafts.bao.ac.cn)。

某些天文学家竟然和小朋友喜欢同样的东西

    图7:为FAST制造、在澳大利亚测试期间的19波束接收机(来源:CSIRO)

    预计未来FAST将同时进行脉冲星、河外中性氢星系搜寻和河内中性氢成图观测。力争做到一次观测,大家满意

    作者简介:

    钱磊,国家天文台副研究员。2009年在北京大学天文学系获博士学位。2009年至今在国家天文台FAST工程工作。目前负责FAST谱线数据处理工作。翻译过专著《黑洞吸积盘》以及若干科普文章。

    文字编辑:苟利军

    美编:彼得堡

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 习近平抵达阿斯塔纳出席第二届中国—中亚峰会

  • 科学报国正当时|从日常用品到尖端科技,高分子材料如何改变世界?

独家策划

推荐阅读
水利部近日印发《关于积极探索和规范推进黄河流域跨省区用水权交易的意见》,对当前和今后一个时期黄河流域跨省区用水权交易作出总体安排和部署。
2025-06-16 09:55
可仅通过一个人的呼吸模式识别其身份,准确率高达96.8%。不仅如此,鼻部呼吸的这些“指纹”还能揭示个体的身体与心理健康状况。
2025-06-16 09:52
2023年5月,依托中国科学院高能物理研究所建设的“文物领域核技术应用与装备国家文物局重点科研基地”正式获批。
2025-06-16 09:50
6月14日,在中核集团秦山核电内,经重水堆辐照过后的钇-90玻璃微球顺利出堆,经检测,该批钇-90玻璃微球比活度等参数满足设计需求。
2025-06-16 09:50
新农人之“新”,不仅是身份上的“新来”之意,更在于他们的技能、理念、思维之新。
2025-06-16 09:49
2025年3月,国家重大科技基础设施——子午工程二期正式通过验收,建成了国际上综合实力最强的空间天气地基区域监测网络。
2025-06-13 09:45
前不久,一场人形机器人格斗擂台赛引发了全球关注。
2025-06-13 09:44
系外行星大气研究对理解行星形成、演化和宜居性具有重要意义。
2025-06-13 09:38
地磁暴,是由太阳表面活动引起的地球磁场全球性剧烈扰动现象。据中国气象局国家空间天气监测预警中心消息,受5月31日太阳爆发活动影响,北京时间6月1日14时至2日14时,先后出现了6小时特大地磁暴。
2025-06-13 09:37
中外科学家团队在广东省肇庆市怀集县取得四足类足迹的重要发现,首次记录了华南白垩纪地层的哺乳形类及恐龙足迹组合。
2025-06-13 09:35
“如果你是一名文科生,将有机会学习数学和计算机,将来可能成为人工智能方面的研究生”,这是不久前,复旦大学教育教学改革发布会上传出的消息。
2025-06-12 18:17
一种新的神经细胞网络是造成这一现象的原因。
2025-06-12 09:52
这一机器人仿生手灵感源于人类手部的生物智慧。
2025-06-12 09:46
冬虫夏草学名叫“中华线虫草”,其实是一种寄生蝙蝠蛾幼虫的真菌。线虫草在白垩纪就已经寄生蚂蚁的基干类群,学会了“操控蚂蚁”,而这类寄生蚂蚁的线虫草,正是如今最繁盛的一支。
2025-06-12 09:43
来自NASA的3位科学家分析了2020—2024年间坠落地球的523颗“星链”卫星在不同太阳活动水平的轨道变化。美国《商业内幕》网站报道称,很多科学家担心“星链”卫星可能会以人们尚不了解的方式破坏大气层。
2025-06-12 09:40
天气越来越热,我们中医院急诊西北角的药膳坊门前,同样“火热”。现在,“中医药+餐饮”在很多地方越来越火,药膳面包等产品吸引了很多消费者,也带动了更多人了解中医药知识和养生理念。
2025-06-12 09:37
中毒、缺氧、病原体侵袭……这些突如其来的“变故”会诱发生命应激反应。
2025-06-11 09:27
传统人工智能研究聚焦于物体识别准确率,却鲜少探讨模型是否真正“理解”物体含义。
2025-06-11 09:26
为满足小农户的粮食干燥需求,该所联合国内多家单位研制出智能化可移动牵引式烘干机。
2025-06-11 09:25
近日,国家发展改革委、国家能源局发布《关于有序推动绿电直连发展有关事项的通知》,提出以满足企业绿色用能需求、提升新能源就近就地消纳水平为目标,建设绿电直连项目。
2025-06-11 09:23
加载更多