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

  • 清洁能源赋能绿色低碳发展

  • 春到沙湖迎客来

独家策划

推荐阅读
2025中关村论坛年会于3月27日至31日在北京举办,以“新质生产力与全球科技合作”为年度主题。其中将举办碳达峰碳中和科技、世界绿色设计等论坛,为新质生产力发展注入绿色动能。
2025-03-28 03:30
日前,我国自主研制的最大直径盾构机“沧渊号”成功下线,将承担世界最长公路水下盾构隧道——海太长江隧道工程左线掘进任务。大海古称“沧渊”,海太长江隧道横跨长江入海口,全长39.07公里,其中过江隧道长11.185公里,最大埋深超75米,计划于2028年建成。“沧渊号”开挖直径达16.66米,整机总长176米,总重量超5650吨,再创国产超大直径盾构机新纪录。
2025-03-28 04:00
3月27日,国家重大科技基础设施高能同步辐射光源HEPS正式宣布启动带光联调,这标志着HEPS装置建设进入冲刺阶段。HEPS是设计亮度世界最高的第四代同步辐射光源,也是我国第一台高能量同步辐射光源。截至2025年1月,经过多轮束流调试,HEPS储存环束流强度达到40毫安以上,发射度降低到93皮米弧度。
2025-03-28 04:00
3月27日,以“新质生产力与全球科技合作”为主题的2025中关村论坛年会在北京中关村国际创新中心拉开帷幕。来自100多个国家和地区的上千名嘉宾齐聚一堂,共议前沿科技趋势、共享创新思想、共谋发展机遇。
2025-03-28 03:30
近日,国家卫生健康委会同国家市场监督管理总局发布50项食品安全国家标准和9项标准修改单。截至目前,我国已累计发布食品安全国家标准1660项,包含2万多项指标,涵盖全部340余种食品类别。
2025-03-28 04:00
记者日前获悉,自去年10月全球洲际间断分布的5种崖柏属植物全部落户重庆市开州区崖柏国家林木种质资源库以来,科研团队已成功繁育崖柏实生苗30万株,崖柏扦插苗20万株,
2025-03-27 04:00
职业技能培训对劳动者提技增收、缓解就业矛盾意义重大。党中央、国务院高度重视职业技能培训工作,2024年印发《关于实施就业优先战略促进高质量充分就业的意见》,要求健全终身职业技能培训制度。
2025-03-27 05:10
长期以来,天气预报主要依赖于传统的数值天气预报模型。随着AI技术的突破,气象领域开始应用AI技术提高天气预报以及气候预测水平。2023年,《科学》杂志将“AI辅助天气预报的发展”评为世界科学十大进展,同年我国主导的AI大模型在精细化天气预报中的应用,更被评为中国科学十大进展之首。这些里程碑既展现了大气科学与AI融合的潜力,也为应对极端天气和防灾减灾创造了新机遇。
2025-03-27 05:10
当前,人工智能技术快速迭代并被应用到各行各业,从根本上改变着人类的生产生活。人工智能的发展越快,公众的期待与担忧越是急剧上升。如何平衡推进人工智能应用与治理,如何缩小科技发展带来的数字鸿沟,成为今年论坛上嘉宾热议的焦点之一。
2025-03-27 05:10
近日,国家互联网信息办公室、工业和信息化部、公安部、国家广播电视总局联合发布《人工智能生成合成内容标识办法》(以下简称《办法》)。《办法》聚焦人工智能“生成合成内容标识”关键点,通过标识提醒用户辨别虚假信息,明确相关服务主体的标识责任义务,规范内容制作、传播各环节标识行为,将于2025年9月1日起施行。如何让人工智能生成合成内容“亮明身份”,不再“真假难辨”?如何破解人工智能安全治理难题?记者就此进行了采访。
2025-03-27 05:10
当前,人口老龄化问题正在全球范围内加速蔓延,已经成为世界各国必须面对的共同挑战。世界卫生组织数据显示,预计2050年全球60岁以上人口数量将达21亿,其中包括4.26亿80岁以上的老年人。在养老领域,养老机器人不仅可以减轻社会和家庭照料老年人的负担,还可支持老年人享受高质量的居家生活,因此智能养老机器人正逐渐成为世界各国应对人口老龄化挑战的重要技术手段。
2025-03-27 05:10
目前,中国电信积极探索中央企业和国家科研院所的深度合作范式,打通基础研究和成果转化通道,推动量子技术产业化发展。
2025-03-26 10:28
至此,中国空间站舱外航天服已经圆满保障空间站任务以来的19次出舱活动,使用年限次数超出“3年15次”的寿命设计指标。
2025-03-26 10:27
中国人工智能大模型加速“出海”“出圈”,让更多澳大利亚华商和杨东东一样,开始将目光瞄准中国人工智能领域,积极寻找投资机会。
2025-03-26 10:27
随着生活水平的提高,人们的文旅需求正从“看山看水看风景”向“品文品魂品生活”转变。比如,逛博物馆,青铜器的精美纹饰固然能够吸引人的兴趣,但观众更希望了解青铜器纹饰背后的礼制密码;去故宫旅游,飞檐斗拱彰显的传统建筑之美固然让人欣喜,但榫卯结构背后的“天人合一”哲学更引人深思。山水器物背后的文化密码,具有一定的隐匿性,不易被直接观察和理解,而数智技术为游客了解这些文化密码提供了一把钥匙。
2025-03-26 04:45
记者从25日召开的中央企业“人工智能+”媒体通气会上获悉,近年来,国务院国资委持续深化中央企业“人工智能+”专项行动,着力提升中央企业在人工智能领域的竞争力。截至目前,中央企业在工业制造、能源电力、智能网联汽车等重点行业布局应用人工智能,科研、生产、客服等方面降本增效明显。
2025-03-26 04:45
25日,人类细胞谱系大科学研究设施(以下简称“细胞谱系设施”)在广东广州国际生物岛正式启动建设。这一设施是国家“十四五”重大科技基础设施,
2025-03-26 03:45
1956年,27岁的林皋带领年轻教师和同学们从零开始,通过自行设计制作的激振和测振仪器设备,在我国率先开展大坝抗震试验。
2025-03-25 09:10
2024年财政收入恢复性增长,比上年增长1.3%。在深入实施创新驱动发展战略,促进现代化产业体系加快建设方面,《报告》指出,推动加快实现高水平科技自立自强。
2025-03-25 09:09
在应用数学中心,来自东南大学通信、网络安全、电子、医学、制药等约10个学科的科研团队经常汇聚一堂,寻找交叉融合的合作点。
2025-03-25 09:05
加载更多