点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:太阳系外漫游④:可观测宇宙 | 观天者说
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

太阳系外漫游④:可观测宇宙 | 观天者说

来源:光明网2020-06-15 11:51

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  大家好,我是中科院国家天文台的王汇娟,上一期大家了解了星系和星系团,今天,让我们一起来探访可观测宇宙!

  晴朗的夜晚,在灯光比较少的乡村或野外,抬头便可看到满天繁星。如果相机拍摄的星空美得如同压成书签的花瓣,那真实的星空就如同一朵正在盛开的花,有着深邃的空间和生命力。此时我们常会情不自禁地感受到自己往日的烦恼是如此微不足道,内心会在星空下忽然平静。然而,此时我们却只是窥见了宇宙的一角。

太阳系外漫游④:可观测宇宙 | 观天者说

图1. 星空 (摄影:于海童)

  什么是宇宙?

  很多人认为宇宙就是无边无际的空间,实际上宇宙并不仅是空间的概念。距今1800多年我国古籍中已给出了今天看来依然比较准确的定义,即“四方上下曰宇,往古来今曰宙”。“宇”是无边无际的空间,“宙”是有始无终的时间。随着物理学的发展,在大约100年前,人类发现空间、时间、物质和能量之间有着密不可分的关系,因此宇宙更准确的定义是空间、时间、物质和能量的总和。

  宇宙从何而来?现在比较广泛被接受的是由美国物理学家伽莫夫于1948年提出的大爆炸理论。这个理论认为宇宙开始于一个质量无限大、体积无限小的奇点,之后经过几个阶段,形成我们现在的宇宙,并在继续加速膨胀。

太阳系外漫游④:可观测宇宙 | 观天者说 

图2. 宇宙大爆炸(图片来源:NASA/Cherkash,稍作修改)

  什么是可观测宇宙?

  可观测宇宙是我们通过电磁波和引力波等方式能探测到的宇宙范围,是一个以探测者为中心的球形区域内的宇宙。基于爱因斯坦广义相对论,宇宙中最快的速度是真空中的光速。基于大爆炸理论和目前测得的宇宙参数值,宇宙的年龄约为138亿年[1]。因此,地面和空间望远镜能接收到的光最早来自约138亿年前。如果考虑到这138亿年间宇宙的膨胀,基于天文学家计算,我们接收到的这束光的光源已距我们约470亿光年[2] [3] [4](见图3-4)。  

太阳系外漫游④:可观测宇宙 | 观天者说

图3. 可观测宇宙模拟图。中心为银河系所在的室女座超星系团,图中的白点表示超星系团。(图片来源:Andrew Z. Colvin,稍作修改)

 

太阳系外漫游④:可观测宇宙 | 观天者说

 

图4. 可观测宇宙的对数示意图,已标示出一些著名天体(图片来源:Pablo Carlos Budassi,稍作修改)

  在宇宙早期高温高压的环境中,光子受到电离状态的质子和电子的阻拦而无法有效向外传播,直到大爆炸后38万年左右,宇宙冷却到质子和电子大量结合在一起,光子才比较畅通地向各处传播,形成了现在的几乎均匀分布于各个方向,只有很小温度起伏的宇宙微波背景辐射(CMB)(见图5)。这一辐射的峰值温度约为-270℃,位于微波波段,因此称为宇宙微波背景辐射。

太阳系外漫游④:可观测宇宙 | 观天者说

图5. 欧洲航空局(ESA)的Planck卫星观测到的宇宙微波背景温度、平滑后的温度、偏振情况。温度起伏只有十万分之一。(图片来源:ESA/Planck合作团队)

  基于Planck卫星观测结果,天文学家发现宇宙由68.3%的暗能量、26.8%的暗物质和4.9%的恒星和星系等普通物质组成(见图6)。

太阳系外漫游④:可观测宇宙 | 观天者说

图6. 基于Planck卫星观测数据得到的宇宙组成情况。(图片来源:ESA/Planck 合作团队,稍作修改)

  夜空中全黑的区域里有什么?

  在理想条件下,我们夜间裸眼能看到全天约6000多颗亮于6.5星等的天体,这些天体散布在黑色的天幕上。人们借助望远镜观测裸眼看上去全黑的天区,发现那里隐藏着一些看起来更暗弱的天体,且随着望远镜口径的增大,人们探测到了隐藏在小望远镜视场中黑暗区域中的更暗弱的天体。这些天体虽然看上去暗弱,但研究表明,它们大部分是质量在千亿颗太阳质量的星系和类星体。不过,即使用目前地球上最大的10米口径光学望远镜去观察夜空,并且进行长时间曝光叠加,依然有一些区域中并未探测到任何天体。那些夜空中最黑暗的区域真的什么都没有么?还是存在更暗弱、更遥远的天体呢?

  要回答这个问题,目前地球上的光学设备已无用武之地。这是因为:地球的大气层因辉光和散射等会有一定亮度,来自非常暗弱的天体的辐射会淹没在夜间天光背景中而无法分辨。天文学家使用哈勃太空望远镜对这样一片全黑区域进行了长达100多天的观测,累积曝光时间达约11天。当这些数据被叠加到一起时,就得到了图7这幅哈勃超级深场图。这幅图中,除了几颗来自银河系的前景恒星以外,其他都为遥远的星系和类星体。从这幅图我们能看到宇宙很久以前的样子。相当于我们做了一次时空穿越。

太阳系外漫游④:可观测宇宙 | 观天者说

图7. 哈勃超级深场图。左下角红色小方块为此图视场大小与月面的比较。(图片来源:NASA/ESA)

  迄今发现的最遥远星系是位于大熊座的红移约为11.1的不规则星系GN-z11[5](见图8)。它的大小只有银河系的1/25,质量也只是银河系的1%,形成恒星的速度却是银河系的20倍。我们看到的是它约134亿年前的样子,对应宇宙大爆炸后4亿年。如果如今的宇宙是一位百岁老人,那当宇宙还是一位3岁稚童的时候GN-z11就已经存在了。

太阳系外漫游④:可观测宇宙 | 观天者说

图8. 光谱证认的迄今最遥远的星系GN-z11 (图片来源:NASA, ESA, P. Oesch and B. Robertson,A. Field,稍作修改)

  蓝天是一幅层次最丰富的画卷,夜空中的全黑区域可能是宇宙中最深邃的深渊,那里藏着我们诞生以来最基本的好奇和答案。更多精彩,请关注观天者说。

[ 责编:赵宇豪 ]
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

  • 首届全国赛落幕 “村超”聚力再出发

  • 麋鹿“回家”40载 从本土灭绝到呦呦鹿鸣

独家策划

推荐阅读
中国科学院地球环境研究所联合美国南加州大学、英国牛津大学等国际团队,在国际上首次定量评价了地震后河床沙这类粗颗粒沉积物通量及其长期变化,揭示了地震对河床沙的影响远比预期更大更久。
2025-08-25 10:08
23日,在南海中沙海域的“中山大学”号海洋综合科考实习船上,6000米级深海无人遥控潜水器“海琴”号圆满完成首次深海试验,全面验证了整机系统的功能和主要性能指标。
2025-08-25 10:00
从中核集团中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究所承担的一体化闭式循环快堆核能系统项目一体式余热导出原理验证试验顺利完成。
2025-08-25 09:58
我国科学家对嫦娥六号月球样品开展了系统性研究,成功揭示了月球年轻火山活动的源区特征与热驱动机制。
2025-08-25 09:57
山东农业大学农学院教授孔令让研究团队首次组装了小麦远缘杂交常用物种中间偃麦草和鹅观草染色体水平的高质量基因组序列。
2025-08-25 09:54
大多数地区在处暑节气时仍有高温天气出现。北方地区昼夜温差扩大,易出现“一场秋雨一场凉”。
2025-08-22 10:12
当罗斯海冰架上最后一抹极昼阳光悄然隐去,南极的冬季正式到来。冰原之上,完成微电网系统、氢能源系统、通信系统等建设任务后的秦岭站,如一艘灰色的方舟稳稳矗立。
2025-08-22 10:12
一部“电影”让我们一窥人类发育中一个鲜为人知的里程碑事件——新形成的胚胎附着在子宫内膜上的瞬间。
2025-08-22 10:11
嫦娥六号采样点所在的阿波罗盆地直径约540公里,位于月球南极-艾特肯盆地内部,是该区域最大的次级撞击构造。
2025-08-22 10:11
手术机器人被誉为机器人产业“皇冠上的明珠”,作为医生的“辅助工具”已完成了数百万次微创手术。
2025-08-22 10:10
为什么鼓励科技成果“先使用后付费”?具体如何操作?
2025-08-21 09:51
一项近日发表于《科学》的研究发现,在血液中循环的血小板会吸收肿瘤细胞释放的DNA片段,从而成为液体活检的重要DNA库。
2025-08-21 09:48
在地球的深海热泉、湿地,或者动物肠道和沉积物等环境中,生活着一群“无氧居民”——厌氧微生物。
2025-08-21 09:46
上半年,我国煤炭产量稳定增长,煤炭进口同比下降,煤炭供给比较充足。
2025-08-21 09:42
当前仍有很多因素制约着新能源汽车维修服务技能人才培养,导致了技能人才短缺问题。
2025-08-21 09:41
华东师范大学研究员张伟团队联合德国、美国等国科研人员,首创室温催化转化技术,为全球塑料污染治理提供了全新解决方案。
2025-08-20 09:47
南京大学研究团队与国际合作者在82光年外的唧筒座天区发现了一个极其罕见的两级四星系统,这是相互环绕的一对超冷褐矮星与一对年轻红矮星。
2025-08-20 09:44
走过70多年,沈阳机床矢志攻关高端机床,其突围历程给人不少启示。
2025-08-20 09:39
2016年,四处“求医问药”的马朝东从中国科学院合肥物质科学研究院专家团队手中接过“药方”——利用现代生物技术,对带病滁菊植株进行离体脱毒与再生。
2025-08-20 09:34
西湖大学工学院姜汉卿实验室研发的新一代软体机器人,首次让昆虫尺度的软体机器人在复杂户外环境中实现完全自主运动。
2025-08-20 09:32
加载更多