史上最大最詳盡的宇宙三維立體圖繪製完成!怎麼看?怎麼用?


伴隨著科技的發展,人類已經能夠看到3D全景的地球圖了。那麼,宇宙的三維圖會是什麼樣呢?一年前,中國科學院國家天文台北京——亞利桑那巡天團隊和暗能量光譜巡天國際合作項目團隊聯合發布巨幅宇宙二維天圖,這幅圖繪製出覆蓋一半天球的宇宙「地圖」。昨天(14日),該團隊在此基礎上又發布了宇宙三維圖。這幅圖是有史以來最大、最詳盡的宇宙三維天圖,打破了以往星系巡天的紀錄,它包含了750萬多個星系。

巨型宇宙三維圖繪製完成,獲得超過750萬星系的光譜

2021年1月,中國科學院國家天文台北京——亞利桑那巡天團隊和暗能量光譜巡天國際合作項目團隊聯合發布了巨幅宇宙二維天圖,從公佈的圖片看,黑暗的背景上,有無數密密麻麻的小點。每個小點放大都有很多恆星、星係等,但這只是該項目完成目標的第一步。國家天文台北京——亞利桑那巡天項目實際負責人、國家天文台研究員鄒虎表示,為了獲取更多信息,繪製宇宙三維天圖十分必要。

鄒虎說:「我們拿著相機去拍照片,只能得到二維平面的圖像,你只能知道平面上的相對位置,距離就沒法知道了。」

左圖為SDSS巡天展示的3維宇宙切片,右圖為DESI巡天在頭幾個月時間觀測的3維宇宙切片。圖中的每個點代表一個星系,地球位於中心位置,最遠距離的星系大約為100億光年。這些星係都是從二維圖像中選取出來的。從這個切片中能看到宇宙網結構,包括星系團、絲狀結構和空洞(圖片來源:DESI國際合作)

對於天體之間的距離測量,通過光譜觀測得到「紅移」是全球科學家公認的技術路線。這是因為,近代天文觀測研究發現宇宙加速膨脹,那些遙遠的天體都在遠離地球,這讓它們所發出電磁輻射的波長在光譜上表現為譜線朝紅端移動了一段距離。

鄒虎介紹:「天文學家通過觀測發現,距離我們越遠的天體,它的光譜會往紅端移動得越多。也就是說,光譜移動跟距離是相關的。所以通過光譜觀測的話,我們就可以知道天上的每一個天體到底距離我們有多遠。」

經過7個月的運行,科研人員從此前的宇宙二維天圖包含的20億天體中挑選出一部分,通過觀測光譜「紅移」把二維天圖的一部分成功升級為三維天圖,包含獲得了超過750萬星系的光譜。那麼,通過三維天圖能看到怎樣的宇宙?

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國家天文台研究員鄒虎解釋:「很多星係其實不是一個很孤立的點,這些星係可能是紮堆的、成群的,在宇宙中的分佈也並不是均勻的,是有結構的。很多星系分佈看起來像一個網狀結構一樣,所以感官上完全是不一樣的。這個結構和很多科學研究是有關的,比如說幾十個、幾百個、幾千個這樣的星系,它會相互引力束縛在一起形成一個星系團,這麼多星系團扎堆肯定有它的物理原因的。」

到2026,團隊將獲得超過3500萬星系的光譜

目前,這幅宇宙三維天圖獲得超過750萬星系的光譜,超越了以往所有星系巡天觀測總和。要做成宇宙三維天圖並不容易,鄒虎表示,這不僅需要先進的技術,還是個費錢又費時的工程。

鄒虎介紹:「涉及到用一個跟照相機不一樣的設備——攝譜儀,攝譜儀價格非常貴,整個項目相當一部分的經費是用來購買攝譜儀。第二個是觀測一個天體,要得到它的距離,觀測光譜信息,首先要積累足夠的信號,這樣觀測下來就比較耗時。」

如果點開這幅宇宙三維天圖,我們會驚訝於宇宙的美麗和神秘,而科學家能從中讀出更多信息。

鄒虎說:「通過這個星系的三維分佈,能夠反推裡邊的暗物質、暗能量的一些性質,這是天文裡邊最大的兩個疑難問題。我們巡天團隊更多的是關心宇宙裡邊的星系本身的一些性質。通過這樣的研究去探索星系的起源或者演化,同時也反映了宇宙的形成、演化。」

鄒虎介紹,在暗能量光譜巡天項目運行過程中,國家天文台北京——亞利桑那巡天團隊持續深度參與了巡天觀測和數據分析,為該項目順利開展貢獻了中國力量。

鄒虎說:「首先,二維數據方面,國家天文台貢獻了三分之一。第二個,我們在觀測的過程中也要針對這些觀測的數據做大量的檢驗,大量的分析,來檢驗它的質量,證明它的精度,是否適合各自感興趣的科學目標。」

這次公佈的三維天圖僅僅是開始,這些星系只佔整個項目五年計劃的10%。到2026年巡天結束時,團隊將獲得超過3500萬星系的光譜,使得我們能夠更好地理解宇宙膨脹和星系的形成及演化。

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鄒虎說:「從觀測效率來說,是目前世界上已有的設備裡邊觀測效率最高的。即使這麼高的效率,從光譜觀測的角度來說,時間成本跟其他的物質成本還是會很高,所以說也不可能直接觀測上億的星系的光譜。按計劃是要觀測5年時間,也就是到2026年的時候要把這個巡天的任務要完成,但這個時間也是取決於整個觀測的效率。因為剛好2021年的天體很好,儀器方面也比較穩定,所以這個進度已經有點提前了。也就是說,按照現在的速度去觀測的話,有可能要提前一年結束。」

現在,該項目已經獲取了大量天體的光譜數據,正等待天文學家去分析。中國科學院國家天文台北京——亞利桑那巡天團隊期望基於這些數據,在星系形成和演化方面作出重要的研究成果,其中包括探測和研究極端貧金屬星系、矮星系和綠豆星係等稀有天體。這些天體對研究早期宇宙的星系形成和宇宙再電離起到關鍵作用。

來源:中國之聲

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