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:最简单的结构 传递远方的信息
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

最简单的结构 传递远方的信息

来源:光明网2020-11-13 11:01

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  羟基(OH)是最简单的分子之一,仅由一个氧原子和一个氢原子组成。在初中化学里面我们就经常接触带电的羟基,也就是氢氧根,它在地球上很常见。而在遥远的宇宙中,是否也存在这种分子呢?

  早在1963年,麻省理工学院(MIT)的Sander Weinreb等人就利用射电望远镜探测到了星际介质中OH的谱线[9]使其成为首个在射电波段被探测到的星际分子。

  其实在上世纪五十年代,苏联的I. S. Shklovsky 和美国的 C. H. Townes就分别提出在星际介质中存在OH,并有可能在射电波段被探测到。然而随后的几次实验性的观测都未能探测到星际介质中的OH信号,其中还包括后来因发现宇宙微波背景辐射而拿到诺贝尔奖的Arno Penzias的观测。[9]

  在六十年代初期,Weinreb还是MIT在读的博士生,他在博士期间开发出了世界上第一台自相关频谱仪,并将其用在了一面26米口径的射电望远镜上(图1)。这面加装了新设备的望远镜很快就探测到了来自太空的OH谱线。随后Weinreb的自相关频谱仪技术也被广泛应用到了其他射电天文望远镜上,成为探测星际分子谱线的利器。

最简单的结构 传递远方的信息

图1. 1958年MIT 林肯实验室的26米射电望远镜(图源:wikipedia)

  Weinreb当时探测到的是OH波长为18厘米处的两条谱线,对应频率分别为1665 和1667 MHz。不过由于那时人们对OH能级跃迁常数的计算不够精确,对OH的激发温度也不太清楚,因此Weinreb并没能通过测到的谱线计算出准确的OH含量[6]。

  直到六十年代中后期,人们才给出比较精确的OH跃迁常数,再加上后来对OH在星际介质中激发温度的深入了解[4],才使得OH谱线的测量在天体物理中有了更广泛的应用。

  OH在18厘米附近实际上有四条谱线,对应了OH分子四种转动能级之间的跃迁。这些不同能级之间跃迁信号使得人们可以对地球以外的原子物理参数进行独立的检验。

  在2005年,Nissim Kanekar等人就利用一个距离地球80多亿光年外(共动距离,红移z=0.765)的OH吸收线光谱对原子物理中的精细结构常数进行了达到万分之一精度的测量,并发现在这种测量精度下,这个位于遥远宇宙的系统中的精细结构常数与地球实验室中测到的数值几乎一样[5]这也在一定程度上证明了我们在地球上发展出的原子物理,在跨越了茫茫宇宙的空间和时间之后,仍然是成立的。

  此外,OH还是氢分子很好的示踪气体。宇宙中最多的原子是氢原子(H),而最多的分子则是氢分子(H2)。由于氢分子有较强的对称性 — 由两个一模一样的氢原子组成,它在星际介质的低温环境下能发出的辐射极其微弱,用现有的望远镜几乎无法探测。因此人们一般会利用一些与氢分子混合在一起的其他分子,比如一氧化碳(CO)和OH,来作为氢分子的示踪分子。

  国家天文台的许铎、汤宁宇和李菂等人[6,8,10]就曾发现在很多弥散的星际分子气体中,只能探测到OH谱线却没有CO,说明OH比CO对这些弥散的暗分子气体具有更好的示踪效果。

  OH虽然比氢分子更容易探测,但是它在一般星际介质中的温度很低,甚至接近宇宙微波背景辐射的温度,约3.5K[6],因此需要很长时间的积分才能探测到微弱的发射线。除了在银河系内以及一些特殊的脉泽星系之内能探测到OH外,在一般河外星系中,几乎看不到OH的射电谱发射线。天文学家于是利用了一个巧妙的办法来探测宇宙学距离上的OH射电信号,那就是吸收线。

  吸收线探测的原理很简单:如果在遥远的宇宙中有一个非常亮的背景源,那么它发出的光在穿过一团含有OH的气体云之后,就会在其光谱的18-厘米附近产生吸收线(图2)。其实Weinreb 最初在1963年发表的星际介质中的OH射电谱线就是通过这种方法看到的,只不过他看到的是银河系内气体云中的OH谱线。天文学家在后来的观测中将这种方法用在了对河外星系的观测当中,并成功探测到了一些遥远星系里的OH[5]。

最简单的结构 传递远方的信息

图2. 吸收线的产生与探测示意图(图源:作者)

  即便是利用吸收线探测,由于OH的相对含量较低,对望远镜的探测灵敏度要求很高,目前吸收线探测成功的例子屈指可数。比如N. Gupta等人利用现今世界上最大的一批射电干涉阵,美国的甚大阵(VLA),印度的巨米波射电望远镜(GMRT),以及荷兰的韦斯特博克综合孔径射电望远镜(WSRT,图3),观测了9个目标,但是只探测到了一个OH吸收线[3];而Kathryn Grasha等人利用美国的100米口径绿岸射电望远镜(GBT)搜寻了数十个目标,一个新的OH吸收线都没有探测到[1,2]。

最简单的结构 传递远方的信息

图3:荷兰WSRT射电望远镜阵(图源:wikipedia)

  至今为止,只有6个非脉泽的河外星系中探测到了OH 射电吸收线。不过这些未能探测到OH吸收线的大量数据也对这些遥远星系中的OH含量上限做出了很好的限制:OH含量约为氢原子含量的百万分之一到千万分之一左右。

  我国的五百米口径球面射电望远镜(FAST,中国天眼)是现今世界上最灵敏的单天线射电望远镜,极大有助于对遥远星系中OH吸收线的探测。国家天文台的郑征、李菂、汤宁宇,以及澳大利亚悉尼大学的Elaine Sadler和英国牛津大学的James Allison组成的一个科学团队利用FAST对一批9个明亮的河外星系射电源进行了一系列测试性的观测[11]。

  FAST观测到的光谱数据虽然未能探测到这批星系中的OH吸收线,却对其中OH的含量做出了迄今为止最强的限制:它们的OH含量小于其氢原子含量的五千万分之一。

最简单的结构 传递远方的信息

图4. OH含量(纵轴)随宇宙学红移(横轴)的变化(图源:Zheng et al. (2020))

  除此之外,在综合了FAST最新的观测数据和之前不同望远镜的观测结果之后,我们发现OH在星系中的含量随着宇宙的演化是变化的(图2):随着宇宙学红移的减小(宇宙年龄增大),OH的含量越来越少。而这暗示着星系中分子气体的含量在过去的70亿年以来下降了超过一个数量级。

  我们将继续利用FAST进行更多的河外OH吸收线搜寻,而正在建设之中的平方公里阵(SKA)在建成之后也将是进行此类探测的更有效的利器。

  参考文献:

  [1] Grasha, K., et al., A Search for Intrinsic H i 21 cm and OH 18 cm Absorption toward Compact Radio Sources, 2019, ApJS, 245, 3

  [2] Grasha, K., et al., The evolution of neutral hydrogen over the past 11 Gyr via H I 21 cm absorption, 2020, MNRAS, 498, 883

  [3] Gupta, N., et al., Discovery of OH Absorption from a Galaxy at z ∼ 0.05: Implications for Large Surveys with SKA Pathfinders, 2018, ApJL, 860, L22

  [4] Heiles, C., Normal OH emission and interstellar dust clouds, 1968, ApJ, 151, 91

  [5] Kanekar, N., et al., Constraints on Changes in Fundamental Constants from a Cosmologically Distant OH Absorber or Emitter, 2005, PRL, 95, 261301

  [6] Li et al., Where is OH and Does It Trace the Dark Molecular Gas (DMG)?, 2018, ApJS, 235, 1

  [7] Robinson, B. J. & McGee, R. X., OH Molecules in the Interstellar Medium, 1967, ARA&A, 5, 183

  [8] Tang, N. et al., OH Survey along Sightlines of Galactic Observations of Terahertz C+, 2017, ApJ, 839, 8

  [9] Weinreb, S., et al. Radio Observations of OH in the Interstellar Medium,1963, Nature, 200, 829 [10] Xu et al., Evolution of OH and CO-Dark Molecular Gas Fraction across a Molecular Cloud Boundary in Taurus, 2016, ApJ, 819, 22

  [11] Zheng, Z., et al., A pilot search for extragalactic OH absorption with FAST, 2020, MNRAS, 499, 3085

  作者简介:

  郑征,国家天文台副研究员,主要研究领域为星系形成与演化,河外吸收线等。

  李菂,射电天文学者,FAST首席科学家。发展了氢气窄线自吸收方法,现为突破基金会“聆听计划”咨询委员。

  汤宁宇,国家天文台助理研究员,主要研究领域为星际介质演化。

[ 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

  • 第41次南极考察

  • 深圳外环田头山隧道群五洞齐发

独家策划

推荐阅读
让年轻人在科技创新中“挑大梁”,要遵循人才成长规律和科研规律,在技术攻关中敢于给他们压担子,并对他们可能遭遇的失败给予一定的宽容度。
2024-11-29 09:51
国家医保局28日举行新闻发布会,发布2024年国家医保药品目录调整情况。据介绍,自成立以来,国家医保局已连续7年开展药品目录调整工作,累计将835种药品新增进入国家医保药品目录,其中谈判新增530种,竞价新增38种。
2024-11-29 09:49
第二届链博会聚焦发展新质生产力,新增先进制造链展区,从研发设计、新材料运用、关键零部件及加工、智能制造及高端装备等四个方面,展现全球先进制造领域从前端设计到终端产品应用的全产业链。
2024-11-29 09:48
持续打造服务农民生产生活和促进现代农业发展的综合平台,当好党和政府密切联系农民群众的桥梁纽带,奋力谱写供销合作事业高质量发展新篇章,为推进乡村全面振兴、加快建设农业强国作出更大贡献。
2024-11-29 09:47
根据规划,中国计划2025年完成下一代北斗系统关键技术攻关;2027年左右发射3颗先导试验卫星,开展下一代新技术体制试验;2029年左右开始发射下一代北斗系统组网卫星,2035年完成下一代北斗系统建设。
2024-11-29 09:35
在科技成果转移转化过程中,有一道看似难以跨越的鸿沟——科技人员通常不熟悉市场、经营和生产,企业经营者往往搞不懂前沿科技。
2024-11-28 02:50
在光通信系统中,硅基调制器是信息传输与处理的关键一环,是整个电光信息转换的“心脏”——信息经过这个枢纽来去、流转,高效搭上光的“顺风车”,奔赴不同目的地。
2024-11-28 02:50
“这是智能滴灌系统,能根据土壤湿度自动调节灌溉量,既让植物不缺水,又能节省水资源。”日前,在重庆市大渡口区慧泉小学,一群小讲解员正在向大家讲解智能滴灌系统的奇妙之处。
2024-11-28 02:50
11月27日10时,朱雀二号改进型遥一运载火箭在东风商业航天创新试验区发射升空,将搭载的光传01、02试验星顺利送入预定轨道,飞行试验任务获得圆满成功。
2024-11-28 02:50
走进永川区数字化城市运行和治理中心,一个巨大的视屏映入眼帘。屏幕上实时显示着电子地图及城市各领域管理问题处置进展,大厅工作人员正有条不紊地进行监测、分析和处置,整个永川区的城市运行状况一目了然。
2024-11-28 02:45
近日,在宁夏回族自治区吴忠市同心县河西镇旱天岭村,记者看到一座座农家屋舍的外墙都装有一台设备,连着地埋井,旁边还放着三块光伏板。迎着寒风,记者走进村民康凤英家,一股暖意扑面而来。
2024-11-28 02:40
记者26日从中国科学技术大学了解到,该校副教授董二宝课题组联合香港城市大学副教授于欣格团队,提出了一种基于柔性光栅结构色的触觉感知新方法。
2024-11-27 09:42
清晨,夜晚的寒气还未完全消散,新疆生产建设兵团第一师阿拉尔市十六团新开岭镇的青蟹养殖基地旁就围满了人。随着一声令下,捕捞工作正式开始。工人们熟练地捞起蟹笼,一笼笼肥美的青蟹被拉上了岸。
2024-11-27 01:55
26日,由中国科学院国家天文台主办的“中国天眼”(FAST)脉冲星科学研讨会举行。记者从会上获悉,截至2024年11月,FAST发现脉冲星数量已突破1000颗,超过同一时期国际其他望远镜发现脉冲星数量的总和。
2024-11-27 02:20
记者张晓华从中国长城工业集团有限公司获悉,26日,国产首颗全电推通信卫星——亚太6E通信卫星正式在轨交付印度尼西亚。该卫星可覆盖印尼全境,为该国提供高性价比的高通量宽带通信服务,助力其信息化建设迈上新台阶。
2024-11-27 02:20
近日,记者从中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获悉,该所微纳光子学与材料国际实验室杨建军团队的最新研究成果有效解决了金属表面极端拒水性持久保持的关键难题。这一突破不仅为超疏水领域开辟了广阔前景,还为基于原子尺度调控的高性能材料表面设计与开发提供了全新的研究思路。
2024-11-27 02:20
曾经,王大军口中的这片地,长期被海水倒灌浸泡,干涸后的土地泛白龟裂,土壤含盐量最高达14‰,酸碱度接近8.5。”牛玉生说,新技术适合规模化施工,创造了低成本、高效率、肥效持久、快速施工的盐碱地改良新模式。
2024-11-26 09:32
科学的传播对象不是少数人,是全体公民,要分门别类地对不同的人群,如青少年、农民、城镇劳动者等,有的放矢地开展科普工作。在世界数学发展的历史长河中,相得益彰……”  两三分钟五六百字的开场白,其文风是科学性与普及性,知识性与趣味性的高度融合;是数学与文学,科学与艺术珠联璧合的典范。
2024-11-26 09:29
近年来,各地高校主动加强与科研机构、企业的紧密合作,积极参与并主导重要科研平台的建设,成果颇丰。加强基础学科、新兴学科、交叉学科建设,推动学科专业转型发展,深入推进产学研深度融合,加快构建融合育人共同体,着力增强创新能力培养。
2024-11-26 09:28
当前正值森林草原防火关键时期,森林草原火险形势如何、如何针对性做好防范工作……记者就此采访国家森林草原防灭火指挥部办公室、应急管理部有关负责人。
2024-11-26 08:57
加载更多