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科学家发现太空“巨大光晕”有助探索宇宙网奥秘

2022年10月28日7:34 未解之谜网

    宇宙网结构的电脑模拟图。(NASA/CXC/CfA/Kovács et al/Springel et al)

    根据一份新研究,科学家在太空中看到了巨大前所未见的结构,其范围绵延近十亿光年,同时还发出微弱的无线电辉光。研究团队的这一新发现或可为宇宙中一些关键的未解之谜提供新的线索。

    研究观测到的“巨大光晕”(Megahalos)由高能量粒子所组成。然而是什么给予了它能量,它们又是如何出现在星系团之中,其背后原因仍不清晰。要找出这些问题的答案,不仅将揭开巨大光晕的来源,同时也将解释宇宙中一些基本而未解的难题,其中包括由物质和气体所组成,连结宇宙的大规模网状结构——宇宙网的细节。

    由汉堡大学天体物理学家维吉尼亚.库西蒂(Virginia Cuciti)所带领的研究团队,利用低频阵列望远镜扫描数百个遥远星系团时,发现了四个巨大光晕。低频阵列是分布在欧洲各地的无线电望远镜观测站,其对低频率的无线电相当敏感。

    这四个巨大光晕与一些较小的无线电晕有关。这些小无线电晕是由电子所组成的分散结构,以近光速行进(又称为相对论性电子),曾在许多星系团中被观测到。巨大光晕的体积比之前观测到的小光晕大30倍,然而其亮度要黯淡20倍。

    根据9月28日发表在《自然》期刊的论文,研究人员表示,巨大光晕的存在,显示在无线电晕之外,受到磁场的引导,其运作机制还维持了大量的相对论性电子。研究人员也补充说明,“此大规模无线电发射的运作机制仍旧是未知的”。

    深入探索星系团

    “当我们在分析本次研究中星系团的其中一组数据时,我们发现一些非常大规模无线电发射的重要线索。所以我们决定再度检视310个星系团样本的所有图像,我们的研究目标是要找到类似的发射。”库西蒂接着说。“当我们发现样本中三个其它的星系团所显示出的电波发射,有与目标相似的规模及特点,那么很显然,我们确实发现了一种新型的宇宙现象,开启人们运用无线电观察来探索星系团外部区域的可能性。”

    星系团能容纳数百或数千个星系,而其中星系之间的重力相互作用,使它们成为宇宙中最闪耀也最混乱的环境之一。即使相隔数十亿光年,通过地球上的望远镜,我们也常可以清晰地看见星系团最明亮的部分。然而,我们却对“星系团内部”星系之间较为黑暗的空间所知甚少。

    科学家之前已于许多星系团中心观察到无线电晕,尤其是那些正在融为一体的星系。这表示电子是从星系合并中获得能量,接着在强磁场作用下,形成膨大的光晕结构。而新发现的巨大光晕拥有相当独特的属性,指向一种与众不同的能量供给机制,或许与星系团内介质中重力能的消散所引发的动荡有关。

    “关于巨大光晕,还有许多值得深究的地方。”库西蒂说。“我们需要更加灵敏的无线电观察,才能看清这些外来无线电波源的特性,并了解巨大光晕是否只存在于某些星系团中,又或者大多数星系团内都存在着巨大光晕。低频阵列目前正升级为低频阵列2.0,我们非常有信心,其在灵敏度方面的提升,能帮助我们找到这些问题的答案。”

    “经由这些观察,我们现在有一些关于星系团外部区域可测量的资料。”她接着说,“由于它经常出现在天体物理学中,因此我们将在研究中加入电脑模拟。我们计划展开一场覆盖范围广大的宇宙学电脑模拟项目,目标在于复制巨大光晕的存在与特质。”

    有助进一步了解宇宙网

    宇宙网是横跨在宇宙中“精密复杂的丝状物结构”,透过上述种种努力,研究团队最终将得出关于宇宙网的新见解。星系团由气体及神秘的暗物质所构成,并出现在这些丝状物的相交处。流动于丝状物间的较为黑暗之外部区域的物质,逐渐累积成为星系团,然而此黑暗区域仍旧难以调查。巨大光晕目前提供了一种新的方法,来探索星系团黑暗、难以捉摸的边缘地带。

    “我们能透过巨大光晕来调查这些区域,表示我们能得知在大规模宇宙结构形成过程中,能量是如何消散的,以及在等离子体密度极低的情况下,粒子要如何加速。”库西蒂说。“此外,巨大光晕也是我们迈向直接探测宇宙大规模结构相当重要的一步。”

    “宇宙中存在的超高密度如丝状物、墙状物和聚集成团的物质,通常都能藉由对这些区域中存在的星系进行观察而推论出,但现在我们开始对充满这个空间的等离子体进行观测。”她补充道。“最终的目标,是要了解宇宙中超高密度区域的物质,其独特的状态,并且追踪其结构,推导出它们的演进模式。”

    无线电天文学的黄金时代

    低频阵列望远镜是新一代超灵敏无线电阵列的一部分。透过揭示系外物体、对庞大的宇宙网进行勘测, 以及其它众多发现,它将使我们对宇宙的认知彻底改变。科学家同时也非常期待平方千米阵(Square Kilometer Array, SKA)的完工,它会是人类建造过最灵敏的无线电望远镜,并且在下一个十年中投入运作。

    “这将是无线电天文学的黄金时代。”地球上能观察到的无线电波长,为数米到数十米。库西蒂表示,“低频阵列开启了一扇全新的观测之窗,涵盖我们从地球上所能观测到最低的无线电频率。此次研究的成果,只是天文学家开始探索这块新领域后,众多发现中的一例。”

    “从另一方面来说,透过对平方千米阵所进行的空前跨国合作,将带来人类所建造过最灵敏、最精密的无线电干涉仪(一系列共同合作的无线电望远镜)。”她提到,“除此之外,这些设备还将涵盖现代天体物理学中,各式各样关键的议题。例如原始宇宙的研究、第一代恒星和黑洞的形成、对至今仍旧神秘难解的暗能量的探索,以及对太空中磁场起源的认识。”

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