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黑洞和暗能量:哈勃如何发现宇宙最黑暗的秘密

宇宙科普网 2021-07-16 408

哈勃太空望远镜帮助我们见证了宇宙正在以越来越快的速度膨胀。除此之外哈勃太空望远镜具有高分辨率,大光圈和极高的精确度,这意味着它可以将光子从宇宙的最暗范围中拉出,回头看比之前的任何视觉望远镜都远。

这些遥远的星系和恒星发出的光花了数十亿年才能穿越空域,我们看到它们就像几千年前一样,一直追溯到宇宙的早期。

哈勃的资深项目科学家詹妮弗·怀斯曼(Jennifer Wiseman)说。实际上是这样“我认为哈勃的最深远贡献是向我们揭示了宇宙是如何随着时间变化的。”“我们可以将最遥远的星系的性质与我们在空间和时间上更近的星系的性质进行比较,以了解它们是否不同。

如图第一张图像是在1995年时候拍摄的,包含近3,000个星系,其中一些可以追溯到第一批恒星是何时形成的。这些星空似乎比我们今天拍摄的图像更小,这表明星系确实会随着时间而改变。

超新星和暗能量

尽管哈勃敏锐的眼睛已经能够分辨出这些遥远的星系,但它对于确定这些遥远的恒星群到底有多远也很关键。

这些Ia型超新星总是以相同的亮度爆炸,因此,通过测量它们在地球上的视亮度,天文学家可以算出它们(以及它们所在的星系)必须走多远。计算这些距离是哈勃的主要科学目标之一的关键部分-测量宇宙的膨胀速度。

如上图哈勃望远镜在1996年拍摄了首张宇宙正在加速膨胀的图像,该图像展示了一个延伸到宇宙可见地平线的视图

一直以来天文学家会感到惊讶。在理论上“大爆炸”之后会出现3种计算方法即持续膨胀和会减速到停止以及会平稳地达到稳定的水平(稳态宇宙)。一般而言宇宙膨胀是需要维持扩张的能量,如果我们的宇宙还在加速扩张,那么就会出现问题。什么导致正在加速呢?暗能量

暗能量在天体物理学中经常是非常热门的话题,哈勃在研究中确实发挥了重要作用。”

如今认为暗能量约占宇宙的75%。其余的一小部分由发光物质组成,例如气体和尘埃在云层中发光或在星体中燃烧。剩下的24%是暗物质。

暗物质和引力透镜

这种暗物质不会像普通物质那样与光发生相互作用,从而使普通望远镜完全看不见它。但是它确实通过引力与可见的宇宙相互作用,这意味着哈勃能够将这种“看不见的”物质带入光中。

其实宇宙中任何一种质量都会扭曲时空。如果有非常大量的质量类星体集合在一起,那么这种失真会产生到足以观察的现象。

哈勃拍摄的这张照片是引力透镜的一个很好的例子。图像中心的庞大星系团距离约46亿光年。它由四个弧线包围(右上角为三个,左下角为一个)。在这些狭窄的弧线中,至少有12个被称为“森伯斯特弧线”的星系副本,位于距离我们近110亿光年的地方。重力透镜将其光线扭曲成多个图像

这种效应被称为引力透镜效应,来自遥远星系的光会因遭遇巨大物体(例如星系团)的引力而被弯曲。哈勃望远镜可以检测出这些畸变的光线,通过检查银河星团的引力透镜,会得出一些有关质量如何分布在这些星团中的信息。”

这种物质大部分是暗物质。通过观察多少星系畸变,天文学家能够确定神秘物质在整个宇宙中的分布情况。

发现超大质量黑洞

哈勃帮助研究人员照亮另一个看不见的物体是超大质量黑洞。这些密集的物体比我们的太阳重数十亿倍,被认为是大多数星系的核心。

在哈勃望远镜之前,这些黑洞完全是理论上的。它们存在的唯一证据是对遥远星系(称为类星体)的无线电观测,该星系包含了太阳系大小的物体但其亮度比宇宙中任何其他已知物体都要亮。

哈勃能够确定无线电辐射是来自持有它们的星系中心,最有可能来自极热的气体,当它绕着巨大的黑洞旋转时被强烈加热。

哈勃望远镜还能分辨出进入黑洞附近轨道中恒星的快速运动。如果仪器检测到可以很快发现它们,并最终证明了超大质量黑洞的存在。

在过去的30年中,哈勃太空望远镜一直帮助天文学家从最深的太空深处提取光子,甚至从我们宇宙中没有光照的光照下提取出光子,从而揭示了宇宙中最黑暗的秘密。


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