看清宇宙中暗弱的光卻看“丟”了一萬(wàn)多億個(gè)星系 “新視野號(hào)”為科學(xué)家打開(kāi)了新視野

深邃的宇宙星星點(diǎn)點(diǎn)，這些來(lái)自天體的光芒有強(qiáng)有弱，有些肉眼可見(jiàn)，有些就連大型天文望遠(yuǎn)鏡都無(wú)法看清。但正是這些暗弱的微光，刷新了我們對(duì)于宇宙中星系總量的認(rèn)知。

1月14日，據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)官網(wǎng)報(bào)道，一個(gè)國(guó)際科學(xué)研究小組在研究了“新視野號(hào)”對(duì)最暗弱天區(qū)長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)結(jié)果后發(fā)現(xiàn)：宇宙中星系的數(shù)量可能僅有幾千億個(gè)，而不是之前利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果推測(cè)的兩萬(wàn)億個(gè)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于《天體物理學(xué)》雜志。

這一研究發(fā)現(xiàn)顛覆了我們的認(rèn)知，為什么前后數(shù)據(jù)的差異會(huì)如此巨大?科學(xué)家如何計(jì)算出宇宙中星系的總量?帶著這些問(wèn)題，科技日?qǐng)?bào)記者采訪了華中科技大學(xué)物理學(xué)院教授鄒遠(yuǎn)川。

“新視野號(hào)”為科學(xué)家打開(kāi)了新視野

兩個(gè)探測(cè)器，卻得到了完全不同的結(jié)果?？茖W(xué)家對(duì)于宇宙星系數(shù)量的探測(cè)主要采用哪些方式?“對(duì)星系數(shù)量的估計(jì)，最直接的方式就是‘數(shù)數(shù)’。比如斯隆巡天項(xiàng)目(SDSS)，就是對(duì)240萬(wàn)個(gè)星系進(jìn)行逐一觀測(cè)。”鄒遠(yuǎn)川說(shuō)，當(dāng)然，這個(gè)數(shù)字遠(yuǎn)不是宇宙中所有星系的數(shù)目。首先，它沒(méi)有對(duì)所有的方向進(jìn)行觀測(cè);其次，亮度比較暗弱的星系也沒(méi)有包括在內(nèi)，這些星系亮度較低的原因，要么是距離太遠(yuǎn)，要么則是星系本身太小。但這些小星系，反而占了星系總量的絕大多數(shù)。

所以，要得到宇宙星系的總量，必須得把那些非常暗、無(wú)法直接觀測(cè)到的星系都計(jì)算在內(nèi)。

“此前，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡正是采用這種辦法，得到了兩萬(wàn)億的結(jié)論。”鄒遠(yuǎn)川說(shuō)，它指向了一個(gè)沒(méi)有任何已知源的天區(qū)，對(duì)這一區(qū)域進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了那些非常暗弱星系的光。這些光以背景的形式出現(xiàn)，科學(xué)家將這些背景光通過(guò)復(fù)雜的模型計(jì)算出星系的數(shù)目，并假設(shè)其他方向的星系數(shù)目也類似，就得到了兩萬(wàn)億這一結(jié)論。

盡管哈勃太空望遠(yuǎn)鏡功能強(qiáng)大，也部署在太空中，但它仍是環(huán)繞地球運(yùn)行，無(wú)法直接探測(cè)到宇宙中部分太遙遠(yuǎn)、太微弱的光源，也就不能了解這些光是不是星系發(fā)出的，又是由多少個(gè)星系發(fā)出的。

為此，人類通過(guò)發(fā)射遠(yuǎn)離地球的人造衛(wèi)星，甚至試圖讓探測(cè)器飛出太陽(yáng)系，去探測(cè)這些光芒的源頭。

2006年1月19日，美國(guó)“新視野號(hào)”發(fā)射升空，它的主要任務(wù)是探測(cè)冥王星及其最大的衛(wèi)星卡戎(冥衛(wèi)一)，以及位于柯伊柏帶的小行星群。

在此次研究中，研究人員正是利用“新視野號(hào)”對(duì)冥王星和柯伊伯帶最暗弱天區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、不間斷觀測(cè)的結(jié)果，確定了宇宙背景光亮度，該結(jié)果為模糊的未知星系數(shù)量設(shè)定了上限，表明宇宙中星系的數(shù)量只有幾千億個(gè)，而不是之前認(rèn)為的兩萬(wàn)億個(gè)。

計(jì)算星系數(shù)量的唯一方法

為何科學(xué)家僅通過(guò)光度就可以計(jì)算出星系數(shù)量?是否還有其他方式?“事實(shí)上，對(duì)一個(gè)天體對(duì)象的探測(cè)，無(wú)非就是兩種方法：一個(gè)是引力，一個(gè)是電磁波。”鄒遠(yuǎn)川說(shuō)，針對(duì)星系數(shù)量的探測(cè)，特別是占星系總量絕大多數(shù)的小星系，引力的作用幾乎體現(xiàn)不出來(lái)，因此只能通過(guò)電磁波。從這個(gè)意義上說(shuō)，對(duì)星系光度以及背景光的測(cè)量是唯一的方法。

不過(guò)，也可以通過(guò)測(cè)量不同波段的光，來(lái)進(jìn)一步對(duì)星系數(shù)量做出更準(zhǔn)確的限制。

鄒遠(yuǎn)川介紹，根據(jù)恒星的演化規(guī)律，我們知道不同質(zhì)量的恒星會(huì)發(fā)出不同強(qiáng)度的光。通過(guò)測(cè)量得到光的強(qiáng)度，就能反推出恒星的總質(zhì)量，進(jìn)而可以粗略地知道每個(gè)星系的質(zhì)量，并得到星系的數(shù)目。

“但是星系發(fā)出的光，只占儀器所觀測(cè)到的光的一部分，還有其他光也可能被計(jì)算在內(nèi)。比如，太陽(yáng)系中非常稀薄的塵埃，就會(huì)反射太陽(yáng)光。”鄒遠(yuǎn)川說(shuō)，之前哈勃太空望遠(yuǎn)鏡之所以得到了兩萬(wàn)億的結(jié)論，就是因?yàn)楸环瓷涞奶?yáng)光這部分無(wú)法完全扣除。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡繞地球飛行，而地球在太陽(yáng)系中距離太陽(yáng)較近，塵埃反射的太陽(yáng)光相對(duì)較強(qiáng)，便讓科學(xué)家高估了所有星系發(fā)出的光的強(qiáng)度。

鄒遠(yuǎn)川表示，此次研究人員能夠獲得這一觀測(cè)結(jié)果，正是利用了“新視野號(hào)”距離太陽(yáng)相對(duì)較遠(yuǎn)、塵埃反射的太陽(yáng)光較弱、星系光線干擾較小的優(yōu)勢(shì)。

“新視野號(hào)”在位于冥王星之外、大于40個(gè)天文單位(即40倍日地距離)時(shí)拍攝了宇宙中最暗的幾處天區(qū)。研究人員發(fā)現(xiàn)最暗的區(qū)域比哈勃太空望遠(yuǎn)鏡所觀測(cè)到的區(qū)域還要暗10倍。研究人員推測(cè)，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果中“多出來(lái)”的部分，就是源自太陽(yáng)光的反射，不應(yīng)被認(rèn)為是星系發(fā)出的光，由此得出了宇宙星系數(shù)量只有幾千億個(gè)的結(jié)論。

目前“新視野號(hào)”已經(jīng)完成主要任務(wù)，往更遙遠(yuǎn)的宇宙深處飛去，最終或?qū)w離太陽(yáng)系。

“少”了這么多星系不會(huì)影響宇宙質(zhì)量

宇宙中“少”了這么多星系，是否意味著此前認(rèn)為的宇宙質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)減少?鄒遠(yuǎn)川表示，這一研究結(jié)果并非意味著宇宙中物質(zhì)質(zhì)量的減少，一是因?yàn)樾窍禂?shù)量和物質(zhì)的質(zhì)量并不直接成正比。星系有大有小，對(duì)星系總量貢獻(xiàn)最大的是小星系，但它們對(duì)宇宙質(zhì)量的貢獻(xiàn)反而不是很大。二是因?yàn)?，宇宙中的物質(zhì)質(zhì)量，約70%來(lái)自暗能量，25%來(lái)自暗物質(zhì)，只有5%來(lái)自普通物質(zhì)，這其中大約只有10%是發(fā)光的物質(zhì)。

此外，目前的測(cè)量結(jié)果誤差都比較大，只有通過(guò)不停地改進(jìn)方法和擴(kuò)大樣本量，才能得到對(duì)宇宙越來(lái)越精確的認(rèn)知。“新視野號(hào)”的這個(gè)發(fā)現(xiàn)，也只是在前進(jìn)道路上邁進(jìn)了一步。

鄒遠(yuǎn)川表示，此次研究結(jié)果更新了我們對(duì)于宇宙星系數(shù)量的認(rèn)知，但還沒(méi)有達(dá)到顛覆性的發(fā)現(xiàn)。因?yàn)樵诙x宇宙中星系數(shù)目的時(shí)候，首先要定義宇宙，其次要定義星系。前者基本上定義為可觀測(cè)宇宙，后者則要麻煩很多。星系的定義足夠精確嗎?小到什么程度就不算星系呢?只有在有了明確并且公認(rèn)的定義后，星系總數(shù)的測(cè)量才有明確意義。這也正是無(wú)數(shù)科學(xué)家正在為之奮斗的目標(biāo)之一。(記者 劉志偉)