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“迟到”的光让我们可以一睹宇宙过去的样子

时间:3个月前   阅读:7

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  ◎实习记者 苏菁菁

  近日,我国龙虾眼X射线探测卫星成功获得一批天体的X射线实测图像和能谱,这是国际上首次获得并公开发布的宽视场X射线聚焦成像天图。该望远镜上的微孔龙虾眼镜片以及CMOS(一种图像感光元件)探测器均为中国自主研发。

  可事实上,即便凭借如此厉害的“龙虾眼”,科学家通过望远镜看到的也只是天体过去发出的光。

  近如台灯、远如星辰,所有我们看到的光都需要一定时间才能照进人眼,也正因如此,我们有机会可以一睹宇宙过去的样子,探寻宇宙演化历程。

  为何我们难以看清遥远星系的光

  宇宙中最古老天体的光,传播时间也最久,那么为何我们仍然难以发现它们?

  “根据哈勃定律,我们所处的宇宙一直在膨胀,这些遥远的星系都在以一个特定的速度远离我们,这个速度和星系到地球的距离成正比。因此,星系在1亿年前发出的光,传播到地球经过的‘路程’,就不止1亿光年。而距离我们越远的光源,光芒就会越黯淡,因此我们很难在茫茫宇宙中看清这些‘微光’。”北京大学科维理天文与天体物理研究所博士傅煜铭说。

  此外,遥远星系发出的光到达地球的路途十分漫长,其间要经历很多“艰难险阻”,例如光可能会被传播过程中所遇到的尘埃和气体等物质吸收。同时,对遥远星系的探测还会受制于仪器设备的灵敏度。“如果光被仪器捕捉到时,它的信号和噪声水平差异不大,我们就很难把信号从噪声里面分辨出来,也就无法实现探测。”傅煜铭说。

  中国科学院国家天文台研究员苟利军表示,来自遥远星系的光可能会在辐射强度、颜色与性质等方面发生变化,“例如一个天体的光可以向四面八方进行传播,但光的接收面积是有限的。也就是说,距离变远,光的辐射强度在单位面积上会变小;距离变近,光的辐射强度会在单位面积上变大。”

  由于宇宙在不断膨胀,所以越是早期宇宙发出的光,其对应的光谱线波长就会被宇宙膨胀拉得越长,这一现象被称为“红移”,天文学家经常用红移来标记宇宙学意义上的“时间”。

  此外,苟利军还表示,对于人类而言,通过望远镜捕捉到的最古老的光是有极限的,这个极限所对应的宇宙年龄是38万年。也就是说,我们最早可以看到宇宙在38万岁时发出的光。

  当然,以目前天文望远镜的观测能力,还远达不到这个极限。

  “红移1100附近,是宇宙微波背景辐射发出的时间,其对应的宇宙年龄是38万年。在这个时间点前,宇宙是一团热的等离子体,光线的组成要素——光子与自由电子、质子发生散射,所以不能自由穿越宇宙;在质子和电子结合形成中性氢原子之后,光子也与物质退耦合,光子能穿越的距离大大变长,宇宙变得透明,我们才能看到天体发出的光。”傅煜铭说。

  多信使天文学研究助力揭示宇宙奥秘

  “对于人类而言,虽然我们无法看到同一星系从形成至今的演化历程,但我们可以看到很多星系在不同阶段的发展状态,这些对于更好地理解我们所处的银河系有着重大意义。”傅煜铭说。

  而这些,需要借助更加灵敏的天文望远镜来实现。

  自1609年伽利略利用自制望远镜仰望星空以来,400多年的宇宙探索史中凝结着全人类的努力。1990年,哈勃空间望远镜成功发射,依托于它产生的海量科研成果刷新了全人类对宇宙的认知;2016年,被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜建成,有望接收到宇宙诞生之初天体发出的电磁信号;2021年哈勃空间望远镜的“继任者”詹姆斯·韦布望远镜顺利升空,其高出哈勃空间望远镜百倍的灵敏度将帮助人类探寻宇宙的更深处;计划于2023年发射的我国大型巡天空间望远镜,将与中国空间站共轨飞行,带来全景式宇宙高清图……

  “除了光以外,我们还可以通过多种方式研究宇宙,中微子、引力波与宇宙线也都携带着天体信息,是宇宙天体派出的‘信使’。”苟利军说,这种结合多种渠道研究宇宙的方式,就是多信使天文学研究。通过中微子与引力波,我们可以了解天体的内部活动;通过宇宙高能粒子,我们可以探究宇宙早期的物理现象……

  随着更多更强大天文观测设备的建成,人类将一步步揭示宇宙演化的奥秘,了解我们从何而来,又将去往何处。

【编辑:邵婉云】
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