繪制宇宙地圖

苗千

一個(gè)由各國(guó)天文學(xué)家組成的“貝塞爾巡天”項(xiàng)目小組正在嘗試?yán)L制出銀河系另一面的地圖。2017年10月13日，他們?cè)凇犊茖W(xué)》雜志上發(fā)表了最新研究成果。

即使你是英國(guó)科幻小說作家道格拉斯·亞當(dāng)斯的書迷，把他的名作《銀河系搭車指南》奉為圣經(jīng)，恐怕也不敢說自己已經(jīng)對(duì)銀河系了如指掌。畢竟幻想歸幻想，人類不僅還沒有能力暢游銀河系，對(duì)于自己所居住的星系的具體形態(tài)都知之甚少，這與我們所處的位置有關(guān)。在銀河系的內(nèi)部，很難看到星系的全景。人類想要為銀河系繪制一份盡可能精確的地圖，面臨著很多實(shí)際困難。

我們的太陽系本身就屬于銀河系的一部分。我們身處銀河系之中，卻可以在夜空中清晰地見到銀河的形狀——從我們的角度看來，銀河系呈現(xiàn)出一條明亮的帶子形狀。在歷史上人們?cè)?jīng)把銀河系比喻為一條河流或是牛奶，但實(shí)際上如果我們換一個(gè)角度，從銀河系的頂端俯視這個(gè)扁平圓盤狀的星系，就能夠看出它是一個(gè)宇宙中最常見的具有旋臂的“螺旋星系”——宇宙中大約有三分之二的星系都屬于螺旋星系。在銀河系的核心區(qū)域又有一個(gè)由恒星組成的短棒區(qū)域，具有這種結(jié)構(gòu)的星系又叫作棒旋星系（barred spiral galaxy）。從短棒的兩端伸展出兩條銀河系的主要旋臂，除此之外還有兩條較小的旋臂，太陽系就處在兩條主要旋臂人馬臂（Sagittarius）和英仙臂（Perseus arms）之間的一個(gè)本地分支，名為“獵戶臂”（Orion Spur）的小旋臂內(nèi)側(cè)邊緣。

想要充分了解這個(gè)含有大約2000億顆恒星、直達(dá)到10萬光年的銀河系，對(duì)于人類來說絕非易事，因?yàn)槿祟悷o法從銀河系的一條旋臂上，透過星系的中心看到另外一側(cè)的旋臂。在理論上，想要看到銀河系的另一側(cè)，就必須穿過銀河系的中心區(qū)域，而在銀河系的中心聚集著大量的恒星、氣體和灰塵，這些物質(zhì)都會(huì)阻止光線的傳播，更不用提在中心還有一個(gè)超巨型黑洞。

但是有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在可見光的頻率區(qū)域之外，人類有可能通過相對(duì)來說波長(zhǎng)較長(zhǎng)的電磁波接收到來自銀河系另一側(cè)的信號(hào)，甚至有可能以此繪制出一幅銀河系的完整地圖。一個(gè)由各國(guó)天文學(xué)家組成的“貝塞爾巡天”（Bar and Spiral Structure Legacy Survey）項(xiàng)目小組正在嘗試著利用這種方式繪制出銀河系另一面的地圖。從2010年到2015年，該研究小組在美國(guó)各地的天文臺(tái)，大約花費(fèi)了3500個(gè)小時(shí)來追蹤來自銀河系另一端的信號(hào)。2017年10月13日，他們?cè)凇犊茖W(xué)》（Science）雜志上發(fā)表論文《繪制銀河系遠(yuǎn)側(cè)的螺旋結(jié)構(gòu)地圖》（Mapping spiral structure on the far side of the Milky Way），報(bào)告了他們的研究結(jié)果。

在銀河系中雖然已經(jīng)存在大約2000億顆左右的恒星，而且其中大多數(shù)恒星的年齡都高過太陽，實(shí)際上在星系內(nèi)部仍然有足夠的材料制造出新的恒星。在星系的旋臂內(nèi)部，氣體、灰塵等各種物質(zhì)相互阻塞碰撞，這正是誕生出新的恒星的好場(chǎng)所。根據(jù)估算，銀河系內(nèi)部的物質(zhì)仍然足以形成數(shù)十億顆新的恒星。

在銀河系的另一側(cè)，一些區(qū)域正在誕生著新的恒星。一些高溫水蒸氣就聚集在這些區(qū)域中，它們可以發(fā)射出強(qiáng)烈的電磁波，而這些電磁波可以穿透銀河系中心區(qū)域的灰塵與氣體到達(dá)地球。貝塞爾巡天項(xiàng)目的科學(xué)家們正是通過測(cè)定這些66000光年之外，來自銀河系另一側(cè)的電磁波的位置，試圖了解星系那一邊的狀況。通過對(duì)各種不同信號(hào)位置的推算，確認(rèn)這些信號(hào)來自銀河系的主要旋臂之一：盾牌-半人馬臂（Scutum-Centaurus Arm）。至今為止，科學(xué)家們已經(jīng)收集了大約150個(gè)水蒸氣聚集區(qū)域的信號(hào)，如同“標(biāo)記在海岸線邊分布的燈塔”一樣，通過這種方式，一步步勾勒出銀河系另一側(cè)旋臂的形狀。

盡管有些從事這項(xiàng)工作的科學(xué)家純粹是覺得自己所做的工作非常有趣，但實(shí)際上他們正在繪制的，是對(duì)于人類來說銀河系中最為陌生和邊遠(yuǎn)區(qū)域的地圖。

人類從20世紀(jì)50年代開始就通過銀河系中明亮的氫氣團(tuán)定位，繪制了銀河系地圖，此后地圖的精度不斷提高，銀河系的形象開始變得清晰，整個(gè)星系的四旋臂模型也才逐漸成形。目前除了貝塞爾巡天項(xiàng)目之外，還有其他幾個(gè)探測(cè)銀河系結(jié)構(gòu)的項(xiàng)目也在進(jìn)行之中。到2018年4月，歐洲空間局花費(fèi)20億英鎊巨資發(fā)射的重達(dá)2噸的空間望遠(yuǎn)鏡——蓋亞探測(cè)器（Gaia Probe），也將完成它為期五年的探測(cè)任務(wù)。自從2013年12月發(fā)射升空以來，蓋亞探測(cè)器在可見光范圍內(nèi)對(duì)銀河系內(nèi)1%的恒星進(jìn)行探測(cè)，已經(jīng)多次發(fā)回含有銀河系內(nèi)總數(shù)超過10億個(gè)天體的數(shù)據(jù)，等到2018年它的任務(wù)正式完成，科學(xué)家們也將以前所未有的精度繪制出包含有銀河系內(nèi)超過10億個(gè)天體的三維地圖，這個(gè)地圖也將勾勒出銀河系各個(gè)懸臂的形狀。

為宇宙中的滄海一粟銀河系繪制地圖尚且如此困難，人類想為整個(gè)宇宙繪制出一幅地圖在現(xiàn)在看來就更顯得不合實(shí)際了。人類是在最近幾十年才明白，宇宙中我們所能“看到”的部分僅僅占有宇宙中物質(zhì)總量的極小一部分。目前科學(xué)家們大約可以計(jì)算出，在宇宙大爆炸發(fā)生后的20分鐘之內(nèi)，總共大約產(chǎn)生出多少氫元素和氦元素，這個(gè)數(shù)字也與人們對(duì)于宇宙微波背景輻射的研究相吻合——這說明宇宙主要是由70%的暗能量、23%的暗物質(zhì)和大約4.3%由重子構(gòu)成的常規(guī)物質(zhì)組成。

目前對(duì)于暗能量和暗物質(zhì)的研究都是宇宙學(xué)中最重要的課題，但問題還不止于此。即使是對(duì)于最易于探測(cè)的常規(guī)物質(zhì)，目前科學(xué)家們也不知道它們究竟都分布在宇宙中的什么地方。例如最容易被發(fā)現(xiàn)的恒星和星系，大約只占到宇宙中常規(guī)物質(zhì)總質(zhì)量的10%左右，即使算上其他各種因素，宇宙中仍然有大約一半的原子不知去處。

想要尋找到這些失蹤的原子，就需要同時(shí)從理論和實(shí)驗(yàn)方面入手。科學(xué)家們?cè)陔娔X上運(yùn)行一個(gè)被稱為“標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型”（Standard model of Cosmology）的關(guān)于宇宙如何誕生和生長(zhǎng)的電腦程序。電腦模擬顯示，在宇宙的生長(zhǎng)過程中，暗物質(zhì)逐漸聚集凝結(jié)，慢慢形成了一個(gè)由節(jié)點(diǎn)和連線構(gòu)成的籠罩了整個(gè)宇宙的“網(wǎng)絡(luò)”，而眾多可見的星系，因?yàn)橐Φ淖饔?，也就鑲嵌在這個(gè)宇宙網(wǎng)（cosmic web）之中。關(guān)于那些失蹤的常規(guī)物質(zhì)，或許也可以此為線索找到蹤跡。endprint

科學(xué)家們根據(jù)電腦模擬的結(jié)果推測(cè)，那些目前人類無法找到的常規(guī)物質(zhì)，大多是以塵埃的形式游蕩在各個(gè)星系之間，稱其為“溫?zé)嵝请H間物質(zhì)”（warm-hot intergalactic matter）。這些物質(zhì)可能溫度極高，可以散發(fā)出強(qiáng)烈的X射線，但是因?yàn)榉植紗伪?，又很難被發(fā)現(xiàn)。

愛丁堡大學(xué)一組研究人員通過一種全新的方法找到了這些星際間不易被發(fā)現(xiàn)的常規(guī)物質(zhì)。在宇宙膨脹的過程中，宇宙微波背景輻射的波長(zhǎng)被拉伸，能量因此減小，目前彌漫在宇宙中記錄宇宙大爆炸的微波背景輻射平均只高于絕對(duì)零度2.75度。但是當(dāng)這些微波背景輻射的光子與星系間的電子相撞，這些光子可能會(huì)從中獲得極其微小的能量，從而使其波長(zhǎng)變短（光子所具有的能量與其波長(zhǎng)成反比），這種現(xiàn)象被稱為蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應(yīng)（Sunyaev-Zel'dovich effect）。研究人員正是試著利用這種現(xiàn)象來找到那些失蹤的星際間物質(zhì)。

蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應(yīng)極其微弱，光子與電子相撞，其波長(zhǎng)也只會(huì)縮短千萬分之一。為了使這種效果被放大，在宇宙中清晰可見，研究者們通過斯隆數(shù)字巡天（Sloan Digital Sky Survey）項(xiàng)目，在宇宙中找到了100萬對(duì)彼此距離相近的星系，再把它們的照片重疊在一起，就可以清晰地發(fā)現(xiàn)蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應(yīng)所造成的結(jié)果。通過這種方式，研究者們發(fā)現(xiàn)，在宇宙網(wǎng)絡(luò)中連線區(qū)域的星際物質(zhì)比宇宙中的平均物質(zhì)密度高出了六倍，這些物質(zhì)的質(zhì)量占到了此前失蹤的常規(guī)物質(zhì)總質(zhì)量的30%左右。

雖然還沒有找到失蹤的全部普通物質(zhì)，這樣的結(jié)果依然令人感到鼓舞。愛丁堡大學(xué)的這幾位研究者在2017年10月5日把報(bào)告這項(xiàng)研究成果的論文《通過蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應(yīng)揭示宇宙網(wǎng)絡(luò)中失蹤的重子》（Missing baryons in the cosmic web revealed by the Sunyaev-Zel'dovich effect）預(yù)印本率先發(fā)表在了網(wǎng)絡(luò)上。然而科羅拉多大學(xué)的天文學(xué)家邁克爾·沙爾（J. Michael Shull）認(rèn)為這些研究者們做的一些假設(shè)可能過于簡(jiǎn)單，他們認(rèn)為這些物質(zhì)恰好分布在星系間人們可以看到的位置，這未免過于巧合。想要獲得這些物質(zhì)真正的分布地圖，可能還需要利用更先進(jìn)的X射線望遠(yuǎn)鏡對(duì)宇宙進(jìn)行觀測(cè)，建立一個(gè)更準(zhǔn)確的三維模型。

人類真正認(rèn)識(shí)到所謂的“宇宙網(wǎng)絡(luò)”也才只有10年左右的時(shí)間，宇宙學(xué)家們可能容易通過理論或是電腦模擬來得出宇宙網(wǎng)絡(luò)的圖像，但是在宇宙中極大尺度的分布上，普通物質(zhì)是否受到暗物質(zhì)的影響，總體的分布是否呈現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這并不容易發(fā)現(xiàn)。想要真正在宇宙觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)，就需要利用宇宙中的探照燈——在星系中心區(qū)域的類星體（quasar）——的光芒來尋找。類星體的能量來自于星系中心的超大黑洞，一個(gè)大的類星體每天可能都會(huì)吸入好幾顆恒星，這樣的天體會(huì)將一部分能量以高能粒子流的形式釋放出來，其能量可能相當(dāng)于一萬億個(gè)太陽，其亮度可能持續(xù)數(shù)百萬年之久。

一些類星體憑借其自身強(qiáng)大的能量，不僅可以點(diǎn)亮整個(gè)星系內(nèi)部的氣體，甚至也可以照亮在星系周圍的氣體，讓人們有可能真正了解在星系周圍物質(zhì)的分布情況。直到2014年，幾位來自加州大學(xué)圣克魯茲分校、加州大學(xué)天文臺(tái)和馬克思-普朗克天文研究所的科學(xué)家才首次合作在《自然》（Nature）雜志發(fā)表論文，題為《通過一個(gè)明亮的高紅移類星體附近Lyman-a揭示宇宙網(wǎng)絡(luò)連線》（A cosmic web filament revealed in Lyman-a emission around a luminous high-redshift quasar），報(bào)告了他們的研究成果。

一個(gè)距離地球約100億光年的遙遠(yuǎn)的類星體所發(fā)出的光線，在到達(dá)地球的過程中因?yàn)橛钪媾蛎浀囊蛩仡l率發(fā)生了很大變化。為了研究這個(gè)照亮了整個(gè)星系的類星體的光線，這些研究者為坐落在夏威夷的10米口徑的凱克望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)了一個(gè)特殊的濾波器，讓其只能探測(cè)到光線波長(zhǎng)的變化。通過研究這些來自100億光年之外的光線，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這些氣體沿著星系間宇宙網(wǎng)絡(luò)的連線一直蔓延出200萬光年的距離，這是人類第一次通過宇宙觀測(cè)了解到宇宙網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成情況。在2016年，視覺研究者和信息設(shè)計(jì)師金·阿爾布萊希特（Kim Albrecht）設(shè)計(jì)了一款具有三維可視化效果的宇宙網(wǎng)絡(luò)模型，在這個(gè)三維模型里，用戶可以對(duì)于整個(gè)宇宙網(wǎng)絡(luò)有一種“浸入式”的體驗(yàn)，可以讓普通人也對(duì)于宇宙的整體結(jié)構(gòu)有所了解。

在普通物質(zhì)的背后，是更加神秘的暗物質(zhì)，它才是構(gòu)成整個(gè)宇宙網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵因素。目前人類還沒有任何方式可以直接觀測(cè)到暗物質(zhì)的存在，它們極少與普通物質(zhì)發(fā)生相互作用，只通過引力與普通物質(zhì)發(fā)生聯(lián)系。正因?yàn)槿绱?，普通物質(zhì)的聚集處通常也正是暗物質(zhì)的聚集處。宇宙中人們可見的星系處，普遍也聚集著大量的暗物質(zhì)。考慮到普通物質(zhì)與暗物質(zhì)的比例，我們所見的宇宙圖像，無非只是龐大的由暗物質(zhì)構(gòu)建的宇宙網(wǎng)絡(luò)的一些點(diǎn)綴罷了。而更令人捉摸不透的暗能量，其身份更是神秘。人類身處宇宙之中，在經(jīng)過了數(shù)千年的文明發(fā)展之后，才真正明白自己對(duì)于宇宙一無所知。

（本文寫作參考了《科學(xué)》（Science）雜志的相關(guān)報(bào)道）endprint