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微資訊！“遲到”的光讓我們可以一睹宇宙過(guò)去的樣子
發(fā)布時(shí)間：2022-10-25 08:30:04
文章來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)
“遲到”的光讓我們可以一睹宇宙過(guò)去的樣子
近日，我國(guó)龍蝦眼X射線探測(cè)衛(wèi)星成功獲得一批天體的X射線實(shí)測(cè)圖像和能譜，這是國(guó)際上首次獲得并公開(kāi)發(fā)布的寬視場(chǎng)X射線聚焦成像天圖。該望遠(yuǎn)鏡上的微孔龍蝦眼鏡片以及CMOS（一種圖像感光元件）探測(cè)器均為中國(guó)自主研發(fā)。
(資料圖片)
可事實(shí)上，即便憑借如此厲害的“龍蝦眼”，科學(xué)家通過(guò)望遠(yuǎn)鏡看到的也只是天體過(guò)去發(fā)出的光。
近如臺(tái)燈、遠(yuǎn)如星辰，所有我們看到的光都需要一定時(shí)間才能照進(jìn)人眼，也正因如此，我們有機(jī)會(huì)可以一睹宇宙過(guò)去的樣子，探尋宇宙演化歷程。
為何我們難以看清遙遠(yuǎn)星系的光
宇宙中最古老天體的光，傳播時(shí)間也最久，那么為何我們?nèi)匀浑y以發(fā)現(xiàn)它們？
“根據(jù)哈勃定律，我們所處的宇宙一直在膨脹，這些遙遠(yuǎn)的星系都在以一個(gè)特定的速度遠(yuǎn)離我們，這個(gè)速度和星系到地球的距離成正比。因此，星系在1億年前發(fā)出的光，傳播到地球經(jīng)過(guò)的‘路程’，就不止1億光年。而距離我們?cè)竭h(yuǎn)的光源，光芒就會(huì)越黯淡，因此我們很難在茫茫宇宙中看清這些‘微光’。”北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所博士傅煜銘說(shuō)。
此外，遙遠(yuǎn)星系發(fā)出的光到達(dá)地球的路途十分漫長(zhǎng)，其間要經(jīng)歷很多“艱難險(xiǎn)阻”，例如光可能會(huì)被傳播過(guò)程中所遇到的塵埃和氣體等物質(zhì)吸收。同時(shí)，對(duì)遙遠(yuǎn)星系的探測(cè)還會(huì)受制于儀器設(shè)備的靈敏度。“如果光被儀器捕捉到時(shí)，它的信號(hào)和噪聲水平差異不大，我們就很難把信號(hào)從噪聲里面分辨出來(lái)，也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)探測(cè)。”傅煜銘說(shuō)。
中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員茍利軍表示，來(lái)自遙遠(yuǎn)星系的光可能會(huì)在輻射強(qiáng)度、顏色與性質(zhì)等方面發(fā)生變化，“例如一個(gè)天體的光可以向四面八方進(jìn)行傳播，但光的接收面積是有限的。也就是說(shuō)，距離變遠(yuǎn)，光的輻射強(qiáng)度在單位面積上會(huì)變小；距離變近，光的輻射強(qiáng)度會(huì)在單位面積上變大。”
由于宇宙在不斷膨脹，所以越是早期宇宙發(fā)出的光，其對(duì)應(yīng)的光譜線波長(zhǎng)就會(huì)被宇宙膨脹拉得越長(zhǎng)，這一現(xiàn)象被稱(chēng)為“紅移”，天文學(xué)家經(jīng)常用紅移來(lái)標(biāo)記宇宙學(xué)意義上的“時(shí)間”。
此外，茍利軍還表示，對(duì)于人類(lèi)而言，通過(guò)望遠(yuǎn)鏡捕捉到的最古老的光是有極限的，這個(gè)極限所對(duì)應(yīng)的宇宙年齡是38萬(wàn)年。也就是說(shuō)，我們最早可以看到宇宙在38萬(wàn)歲時(shí)發(fā)出的光。
當(dāng)然，以目前天文望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)能力，還遠(yuǎn)達(dá)不到這個(gè)極限。
“紅移1100附近，是宇宙微波背景輻射發(fā)出的時(shí)間，其對(duì)應(yīng)的宇宙年齡是38萬(wàn)年。在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)前，宇宙是一團(tuán)熱的等離子體，光線的組成要素——光子與自由電子、質(zhì)子發(fā)生散射，所以不能自由穿越宇宙；在質(zhì)子和電子結(jié)合形成中性氫原子之后，光子也與物質(zhì)退耦合，光子能穿越的距離大大變長(zhǎng)，宇宙變得透明，我們才能看到天體發(fā)出的光。”傅煜銘說(shuō)。
多信使天文學(xué)研究助力揭示宇宙奧秘
“對(duì)于人類(lèi)而言，雖然我們無(wú)法看到同一星系從形成至今的演化歷程，但我們可以看到很多星系在不同階段的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，這些對(duì)于更好地理解我們所處的銀河系有著重大意義。”傅煜銘說(shuō)。
而這些，需要借助更加靈敏的天文望遠(yuǎn)鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)。
自1609年伽利略利用自制望遠(yuǎn)鏡仰望星空以來(lái)，400多年的宇宙探索史中凝結(jié)著全人類(lèi)的努力。1990年，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡成功發(fā)射，依托于它產(chǎn)生的海量科研成果刷新了全人類(lèi)對(duì)宇宙的認(rèn)知；2016年，被譽(yù)為“中國(guó)天眼”的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡建成，有望接收到宇宙誕生之初天體發(fā)出的電磁信號(hào)；2021年哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的“繼任者”詹姆斯·韋布望遠(yuǎn)鏡順利升空，其高出哈勃空間望遠(yuǎn)鏡百倍的靈敏度將幫助人類(lèi)探尋宇宙的更深處；計(jì)劃于2023年發(fā)射的我國(guó)大型巡天空間望遠(yuǎn)鏡，將與中國(guó)空間站共軌飛行，帶來(lái)全景式宇宙高清圖……
“除了光以外，我們還可以通過(guò)多種方式研究宇宙，中微子、引力波與宇宙線也都攜帶著天體信息，是宇宙天體派出的‘信使’。”茍利軍說(shuō)，這種結(jié)合多種渠道研究宇宙的方式，就是多信使天文學(xué)研究。通過(guò)中微子與引力波，我們可以了解天體的內(nèi)部活動(dòng)；通過(guò)宇宙高能粒子，我們可以探究宇宙早期的物理現(xiàn)象……
隨著更多更強(qiáng)大天文觀測(cè)設(shè)備的建成，人類(lèi)將一步步揭示宇宙演化的奧秘，了解我們從何而來(lái)，又將去往何處。
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