在遠(yuǎn)離大城市燈光的地方抬頭仰望夜空,可以看到宇宙的壯麗,數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的恒星裝點(diǎn)著我們的銀河系,而其他星系中還存在數(shù)以十億計(jì)的恒星。
這些“居住”在宇宙中的海量恒星聚集在不同的星系中,這些星系是氣體、塵埃和數(shù)以十億計(jì)的恒星及其子星系的聚合體,它們?cè)谝Φ淖饔孟戮奂谝黄稹?/div>
測(cè)算不易
正如我們知道有多少行星在圍繞我們的太陽(yáng)運(yùn)行,并且我們估算出了銀河系中有多少個(gè)“太陽(yáng)”一樣,科學(xué)家們提出的問(wèn)題是:可見(jiàn)的宇宙部分中有多少個(gè)星系?數(shù)清它們似乎是一項(xiàng)不可能完成的艱巨任務(wù)。光有望遠(yuǎn)鏡是不夠的。需要空間望遠(yuǎn)鏡和計(jì)算機(jī)計(jì)算相結(jié)合才能得出估算值,而估算值也可能會(huì)受到質(zhì)疑。
在過(guò)去的20年里,哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的非常深遠(yuǎn)的圖像發(fā)現(xiàn)了無(wú)數(shù)光芒微弱的星系,它們發(fā)出的光幾乎無(wú)法到達(dá)我們的觀測(cè)范圍。這個(gè)可觀測(cè)的宇宙部分總共包含大約1000億個(gè)星系。
1995年,天文學(xué)家將哈勃太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)了大熊座空曠的區(qū)域,并收集了10天的觀測(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)州立韋伯大學(xué)的數(shù)據(jù),僅在一張圖像中估計(jì)就有3000個(gè)微光星系。這張合成圖像被稱為“哈勃深空?qǐng)觥保钱?dāng)時(shí)宇宙中所能觀測(cè)到的最遠(yuǎn)圖像。
在哈勃望遠(yuǎn)鏡的儀器得到改進(jìn)(得益于多項(xiàng)太空任務(wù)對(duì)其儀器進(jìn)行了升級(jí))后,天文學(xué)家重復(fù)了兩次這種實(shí)驗(yàn)。在2003年和2004年,科學(xué)家們創(chuàng)造出了“哈勃超深空?qǐng)觥?,通過(guò)一百萬(wàn)秒的曝光,在天爐座的一個(gè)小點(diǎn)中發(fā)現(xiàn)了大約10000個(gè)星系。2012年,科學(xué)家們?cè)俅问褂酶倪M(jìn)后的儀器,用哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)了超深空?qǐng)龅囊徊糠帧<词乖谶@個(gè)更狹窄的視野中,天文學(xué)家也能夠探測(cè)到大約5500個(gè)星系。研究人員將此稱為“哈勃極深場(chǎng)”。
“哈勃極深場(chǎng)”涵蓋了距離我們最遠(yuǎn)達(dá)到120億光年的星系。我們認(rèn)為,它們?cè)诖蟊ê蟛坏?0億年時(shí)就存在了。然后,天體物理學(xué)家計(jì)算了那個(gè)狹窄視野內(nèi)的星系數(shù)量,并將這個(gè)數(shù)字外推到整個(gè)宇宙,前提是假設(shè)宇宙在各個(gè)方向上看上去都一樣,最終得到了1200億這個(gè)數(shù)字?!暗S著太空望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的進(jìn)步,這個(gè)數(shù)字可能會(huì)增加到2000億左右。”美國(guó)太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所的天體物理學(xué)家馬里奧·利維奧說(shuō)。
不斷演化
但在2016年,由英國(guó)諾丁漢大學(xué)天體物理學(xué)教授克里斯托弗·孔塞利切領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)稱,星系數(shù)量的實(shí)際數(shù)字遠(yuǎn)大于此,至少接近2萬(wàn)億個(gè),這是之前所認(rèn)為的20倍之多。
孔塞利切在《天體物理學(xué)雜志》季刊上發(fā)表的論文中指出:“目前的天文技術(shù)使我們只能研究這些星系中的一小部分,只有10%左右。這意味著我們宇宙中超過(guò)90%的星系尚未被發(fā)現(xiàn),只有在研制出更大更強(qiáng)的望遠(yuǎn)鏡后才能看到它們。”該季刊是世界領(lǐng)先的天文學(xué)研究雜志,致力于刊載天文學(xué)和天體物理學(xué)的最新發(fā)展、發(fā)現(xiàn)和理論。
這一成果對(duì)星系的形成研究有明顯的影響??兹械难芯砍晒?5年辛勤工作的結(jié)晶。他的團(tuán)隊(duì)對(duì)分布于世界各地的望遠(yuǎn)鏡,尤其是哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的深空?qǐng)鰣D像進(jìn)行3D處理,以計(jì)算一個(gè)又一個(gè)小塊空間中星系的數(shù)量和密度。這項(xiàng)艱苦的研究使他能夠計(jì)算出我們?cè)谟?jì)數(shù)時(shí)遺漏了多少星系,就像一種“星際考古挖掘”一樣。
孔塞利切說(shuō):“這非常令人驚訝,因?yàn)槲覀冎涝?38億年的宇宙演化過(guò)程中,星系一直在通過(guò)新恒星形成和與其他星系合并而增長(zhǎng)。因此,發(fā)現(xiàn)過(guò)去實(shí)際上曾有更多的星系,意味著以前應(yīng)該發(fā)生過(guò)星系的重大演化,從而通過(guò)它們之間的廣泛合并來(lái)減少至現(xiàn)在的數(shù)量。這也讓我們驗(yàn)證了宇宙中自上而下的結(jié)構(gòu)形成模式。”
他補(bǔ)充說(shuō):“我們遺漏了絕大多數(shù)星系,因?yàn)樗鼈兪侨绱宋⑷鹾瓦b遠(yuǎn)。宇宙中的星系數(shù)量是我們想知道的一個(gè)基本數(shù)字,令人驚訝的是,宇宙中超過(guò)90%的星系還沒(méi)有被研究過(guò)。誰(shuí)知道當(dāng)我們用下一代望遠(yuǎn)鏡研究這些星系時(shí),會(huì)發(fā)現(xiàn)哪些有趣的特性。這些未知星系可能將為許多相互突出的天體物理學(xué)問(wèn)題提供破解線索?!?/div>
找到方法
無(wú)論使用哪種儀器,估算星系數(shù)量的方法都是相同的。先使用望遠(yuǎn)鏡(尤其是哈勃望遠(yuǎn)鏡)拍攝的太空的一部分,再利用這一部分與整個(gè)宇宙之間的比例關(guān)系,就可以估算出宇宙中的星系數(shù)量,但前提是假設(shè)宇宙是均質(zhì)的,正如宇宙學(xué)原理所指出的那樣。
這一原理可以追溯到愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。他指出引力是空間和時(shí)間的扭曲?;谶@種理解,許多科學(xué)家(包括愛(ài)因斯坦本人)試圖了解引力如何影響整個(gè)宇宙。
美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)指出:“可以做出的最簡(jiǎn)單的假設(shè)是,如果以足夠差的視力水平觀察宇宙包含的內(nèi)容,它在任何地方和各個(gè)方向上都會(huì)看上去幾乎相同。也就是說(shuō),在非常大的尺度上進(jìn)行平均后,宇宙中的物質(zhì)是均勻分布和各向同性的。這被稱為宇宙學(xué)原理?!?/div>
宇宙學(xué)原理的一個(gè)例子是宇宙微波背景,它是大爆炸后宇宙早期階段的殘余輻射。天文學(xué)家使用NASA的威爾金森微波各向異性探測(cè)器等儀器發(fā)現(xiàn),無(wú)論你看向哪里,宇宙微波背景幾乎都是相同的。
通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)離我們的星系的觀測(cè),對(duì)宇宙膨脹的測(cè)量表明,它大約有138.2億年的歷史。然而,隨著宇宙的老化和增長(zhǎng),星系離地球越來(lái)越遠(yuǎn)。這使得它們更難在望遠(yuǎn)鏡中被看到。
宇宙的膨脹速度超過(guò)了光速。我們只能看到來(lái)自星系的光,它們的光有足夠的時(shí)間到達(dá)我們地球,但這并不意味著整個(gè)宇宙都是這樣。于是便有了可觀測(cè)宇宙的定義。
星系也會(huì)隨著時(shí)間推移而變化。銀河系正與附近的仙女座星系發(fā)生合并,兩者將在大約40億年后合并。在那之后,我們所在星系群中的其他星系,即離我們最近的一些星系,最終將合并并創(chuàng)造出一個(gè)看上去更暗的宇宙區(qū)域。
目前,研究人員只能直接觀測(cè)到大約2萬(wàn)億個(gè)星系中的10%。但今年,當(dāng)哈勃望遠(yuǎn)鏡的繼任者詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡開(kāi)始工作時(shí),這種情況可能將會(huì)改變。這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該能夠追溯更遠(yuǎn)的時(shí)間,看看距離大爆炸最近的星系是如何開(kāi)始形成的。
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