拥有万亿个星系的宇宙

[ 录入者:champagnecat | 时间:2018-08-19 21:31:50 | 作者:京晶 译 | 来源:Astronomy | 浏览:2078次 ]
作者:Christopher J. Conselice 原文来自:Astronomy   Posted:2017年6月刊
编译:京晶   审校:数星星的猫 (编译版权所有,未经许可请勿转载)

哈勃极深场计划的紫外覆盖观测(简称UVUDF)在从近红外至远紫外波段拍摄了上面这张图像,从中可以看到上万个多姿多彩的星系。UVUDF已经汇集了迄今为止最全面的宇宙图像。(图片来源:NASA, ESA, H. TEPLITZ AND M. RAFELSKI (IPAC/CALTECH), A. KOEKEMOER (STSCI), R. WINDHORST (ARIZONA STATE UNIVERSITY), AND Z. LEVAY (STSCI))

宇宙中有多少个星系?没人知道答案。不过在一代人的时间里,天文学家曾认为这个答案是1千亿个。现在,我们已经发现这个数字可能还要大得多。

这是一个不太好解决的问题,因为宇宙是如此广袤并已演化了138亿年。在大多数人看来,这个问题似乎和数一数世界各地的海滩有多少粒沙一样困难。我在美国佛罗里达州的海边长大,和从前以及此后的许多人一样,我常坐在海滩上欣赏眼前那数也数不清的沙子。自然而然地我也会问自己:“这片海滩到底有多少粒沙子?”这个数字似乎无穷无尽,或者至少不是一个小孩能数得过来的。当我想到在世界各地都有类似的海滩时,沙子就确实无法数清楚了。

事实上,这会引出古希腊天文学家阿基米德回答过的一个著名的问题。不过,阿基米德并没有把自己的思考局限于地球,而是想要回答到底需要多少沙子才能填满整个宇宙。当然,阿基米德脑中的宇宙比我们今天所认识的宇宙要小得多,其直径也只有几光年。在一篇名为《沙数计量》(最早的科学论文之一)的文章中,他得出结论说只需要大约10的62次方粒沙子就可以填满他的宇宙。

我们的研究兴趣并没有随着时间的推移而发生改变。自阿基米德生活的那个时代以来,人们显然对计数着迷不已。我们总想知道“有多少”。也许,最基本的天文计数问题就是“宇宙中到底有多少星系?”这是因为星系是宇宙中物质结构的基本单元,而且确实遍布在宇宙各处,与阿基米德的沙粒形成巧妙的对应。宇宙中的绝大多数物质都存在于星系里,所以星系的数目是一个基本性质,是对其它一切物质进行计数的基础。

对这个问题的解答还有助于理解宇宙的许多性质,例如宇宙的物质构成、物质结构的演化以及有关暗物质和背景辐射的其它问题。它还能告诉我们星系是一开始很小然后慢慢长大,还是在其形成之初质量就和现在的质量差不多大。

为了回答这些问题,天文学家不仅要决定如何计算星系的数目,还必须知道这个计数结果的含义。

在与一个更致密的星系发生作用时,UGC 10214(蝌蚪星系)被扯得七零八落,在它身后则是丰富多彩的遥远星系。虽然这张照片的曝光时间只有哈勃深场曝光时长的12分之1,却仍然拍摄到了极早期宇宙中的星系。(图片来源:NASA, HOLLAND FORD (JHU), THE ACS SCIENCE TEAM AND ESA)

 

如何计数?

那么天文学家如何计算可观测宇宙中的星系数目呢?简单的办法就是去数一数了。当然,我们必须往很深的地方看,回到遥远的过去,看到宇宙中的第一批星系,然后再看看从那时候起到现在新形成的星系,这可没有听上去那么简单。哈勃空间望远镜一直都是、现在也仍然是完成这项工作的最佳工具。

在过去的30年里,从没有一台望远镜能像“哈勃”那样改变了我们对宇宙的看法。这在星系研究和自早期宇宙至今星系的形成和演化研究中更是如此。因为这份能力,“哈勃”还在统计宇宙中的星系数目中发挥了重要的作用。

观测第一批星系、然后计数的唯一方法就是进行深度曝光拍摄。这个想法一直是“哈勃观测计划”的组成部分。然而在“哈勃”刚开工时,天文学家曾经认为对着空无一物的天区进行深度曝光是浪费时间。他们的推理是,基于目前的宇宙学知识提出的星系形成理论预言星系是在非常晚的时候(距离现代不远)才形成的。如果真是这样,即使深度曝光也几乎看不到什么东西,原因很简单——星系还没有形成呢。

幸运的是,这并没有打消Robert Williams的念头。身为空间望远镜科学研究所的所长,他在1995年利用自己可自由支配的观测时间对单一天区展开为期两周的深度观测。观测得到了一张被恰如其分地称为“哈勃深场”的图像,看到了以前从未看到过的宇宙深处。

1995年,经过10天的观测,哈勃深场捕捉到近3千个远近不同的星系。从这张图中,天文学家第一次瞥见了早期宇宙里数目众多的不规则小星系。(图片来源:R. WILLIAMS (STSCI), THE HUBBLE DEEP FIELD TEAM AND NASA/ESA)

要理解这张图像为何如此有价值,不妨想一想我们怎样抬头数天上的星星吧。在黑暗的地方仰望星空,对一些人来说满天的繁星可能非常多,也许有几百万、甚至几十亿颗。当然,这个数字实际上要小得多。即使是在最黑的地方,肉眼能看到的星星实际只有几千颗。这个数字和美国西海岸地区麦当劳快餐店的数目差不多,可能不像是很大的数目亦或是过多!

如果我们在那个黑暗的地方用望远镜去看,就能看到更多的星星。同肉眼相比,望远镜能收集到更多的光,显著提高了可见恒星的数目。哈勃深场的观测结果也是同理。用性能超过地面上任何一台望远镜的“哈勃”对准一块“空白”天区,天文学家就发现了许许多多前所未见的星系。

然而,哈勃深场的观测天区的总面积非常小——北斗七星附近的大熊座里一块边长仅有几角分的区域。但深度曝光却揭示出在这个区域里有好几千个星系。这个数字可能听上去不算大,但如果把这个结果外推到全天,可观测的星系总数就会增加到1至2千亿个。

即使在当时,天文学家也怀疑这个数字仍然是低估。我们知道如果看得更深,可能还会看到更多的星系。

 

加上其它波段

在接下去的15年里,更深、更广的巡天观测得到了更好的数据,但星系的总数只增加了一点点。这是因为巡天的曝光时间很难超过哈勃深场。尽管如此,有一件东西变了。搭乘航天飞机执行维修任务的宇航员给“哈勃”装上了更好的相机,使它能够在近红外波段进行大视场观测。这让我们能够更细致地探测在不同时期不同质量的星系的数目,一直回溯到宇宙只有10亿岁时。

2009年,在第五次、也是最后一次维修“哈勃”时,宇航员为它安装了大视场相机3(简称WFC3)。这是“哈勃”用过的最高级的相机,能够在红外波段对较大面积的天区进行极深度曝光的拍摄。这个新增的天文观测工具让我们能够确定星系的质量分布,并回答诸如宇宙中是否存在较多的小质量或大质量星系、星系的质量分布是否会随时间变化等问题。

2009年,宇航员Andrew Feustel在执行维修任务时对哈勃空间望远镜进行升级。位于前方中央位置的白色水平面板就是新安装的大视场相机(WFC3)。(图片来源:NASA)

尽管如此,我们从图像中只能获得遥远星系的二维平面图,而无法知道它们在时间或空间上的分布情况。我们需要知道这些星系的质量及位置。

我们可以通过在多个波段观测星系来获取这些信息。不同类型的恒星具有不同的光谱,因此,通过研究星系在不同波段发出的光,我们就能测量出星系内的恒星族群。此外,光的性质还揭示出了星系的距离。由于宇宙在不断膨胀,星系的光谱会发生多普勒移动。把这个效应与哈勃定律(距离我们越远的星系正在以更快的速度远离我们)结合起来,天文学家就能计算出星系的距离。这种根据光谱的形状确定距离的方法就叫做测量“测光红移”。

测量测光红移需要各波段的观测数据。幸运的是,在哈勃深场观测的天区已经有可以用来计算星系的质量和红移的观测数据了。这些数据来自于好几台望远镜,包括了昴星团望远镜、两台10米口径凯克望远镜和哈勃空间望远镜拍摄的深场图像。

然而,即使有了最深度的图像,我们仍无法看到最早的时期里那些最暗弱的星系——或者至少看不到所有的。那么问题来了,我们没发现的星系到底有多少呢?

 

星系的质量分布

答案要到星系的质量分布(在给定的质量范围里单位体积内的星系数目)中去找。天文学家发现星系的质量分布很规则——也就是说不同质量的星系的数目并不是随机数。我们目前知道的和已经知道一段时间的是小质量星系要比大质量星系多得多。

在大质量端,星系的数目呈正态分布(或称高斯分布),但在小质量端,星系数目却呈幂律分布。幂律分布的斜率大体上给出了星系的数目。

天文学家想要描述各历史时期星系的光度和质量的分布情况。他们使用的工具是Schechter函数(把我们看到的幂律分布和正态分布结合在一起)。

这种分布在宇宙各处(各种环境里)都成立。事实上,以现代宇宙学模型为基础的星系形成计算机模拟已经预测出我们看到的星系的质量分布了。

惊人之处在于,当我们看向过去,在越来越高的红移处, Schechter函数的斜率也变得越来越陡峭。这意味着在越早的时期,小质量星系越多。换句话说,在早期宇宙中到处都是小星系。大星系在当时还不多见,直到晚些时候很多小星系并合形成了更大的星系。实际上,今天存在的每一个星系,在宇宙的年龄只有10亿年时,都对应着大约10倍之多的星系。

这些微小的红色不规则星系只是从哈勃极深场观测中挑选出来的一小部分而已,是迄今为止我们看到的最遥远(也即最年轻)的星系,当时宇宙的年龄还不到10亿年。随着时间流逝,这些星系并合形成了我们今天看到的更大质量的星系。(图片来源:NASA, ESA, R. BOUWENS AND G. ILLINGWORTH (UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SANTA CRUZ, USA))

不仅如此,我们还看到早期宇宙中较高的星系数密度随着时间的推移逐渐下降,直到接近我们今天所见到的值。只有星系破坏才能造成这个现象。也就是说,随着时间流逝,小星系的并合不仅降低了星系的数目,还增加了星系的质量。

通过引力透镜看到的一次遥远的星系并合。透镜星系是一个侧向的旋涡星系,位于图中的对角线上。在它身后的是星系并合的扭曲像,看上去很像离我们更近的天线星系,只是这场并合发生在遥远的过去——当时宇宙的年龄只有70亿年。(图片来源:NASA/ESA/ESO/W. M. KECK OBSERVATORY)

这些都是重要的结论。当我们穿越宇宙的整个演化历史去统计星系的总数时,我们得到的数字是2万亿个。这个数字至少比我们以前认为的值大了10倍。

在此做以下说明十分重要:这个发现并没有改变宇宙中的物质总量,只改变了包括了这些物质的星系的数目。由于我们现在看到的宇宙是并合的结果,虽然过去有较多的星系,但物质的总量却没有增加——只是物质转移到比现在的星系数目更多、质量更小的星系里去了。

 

2万亿的含义

这些结果给出了几个重要的提示。首先,星系的演化离不开并合。没有其它办法能让给定体积内的星系数目下降得如此多。

天线星系是正处于并合中的一对著名的旋涡星系。这场并合已经持续了几亿年。并合结束后会在原地留下一个大星系。(图片来源:ESA/HUBBLE AND NASA)

其次,想一想奥伯斯佯谬——如果宇宙在时间上和空间上都是无限的,夜空就应该布满恒星,所以夜空应该是明亮的。但事实并非如此,在至少过去几百年里,天文学家一直百思不得其解。

星系的计数结果表明这个问题还有另一种解释。由于宇宙中有这么多星系,天空也应该布满了星系。然而大部分星系都无法被看到,因为人类的肉眼只能看到波长比700纳米短的光。多普勒效应把遥远星系发出的可见光的波长拉长,超过了700纳米,使我们无法看到这些星系。

基于这个效应,我们应该能看到遥远星系发出的紫外辐射,因为等光传播到地球,它的波长已经移动到可见光波段。然而这样的紫外辐射很容易被星系自己内部的氢和星系间的介质吸收掉。

这就是为什么天文学家需要在近红外波段进行观测才能发现那些星系,也是为什么WFC3是这个发现的关键工具。2018年,詹姆斯韦伯空间望远镜将会上天。这个接替“哈勃”的望远镜将会比“哈勃”看得更深,不仅要研究我们目前能够探测到的较暗弱的星系,还要拓展我们对更远处星系的认知。这些探索将增进我们的理解,也无疑会改善我们对宇宙中的星系数目的知识以及这个数字对宇宙和星系形成的含义。

天文学家正在拼接出宇宙的全景图——从最初期直至现在。我们探测更暗弱、更年轻的天体的能力也在不断地提高。等有了更深处的观测数据,我们就能使宇宙模型更好地符合观测。我们现在知道宇宙中的星系不止几十亿个,而是有几万亿个。

有了这个信息,天文学家现在对宇宙的演化有了更好的理解,也能更准确地预测它未来的命运。

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