借助于X射线望远镜,科学家绘制了宇宙图景

对星系团进行X射线观察,能够提供有关宇宙膨胀速率、可见物质的质量分数以及原始涨落幅度的信息。

能量,是用来表征物理系统做功本领的一种度量,在物理学中是一个间接观察到的物理量。能量能够以各种不同的形式存在。比如,能量可分为机械能、化学能、热能、光能、声能、电能、核能、辐射能等等。

借助于X射线望远镜,科学家绘制了宇宙图景
图源: Pixabay

在日常生活中,我们几乎无时无刻地在消耗着能量,同时也在产生着能量。能量不会无缘无故地消失,也不会无缘无故地产生,这是自然界中的一个基本定律,被称为“能量守恒定律”。正如1965年诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼在其物理学讲义中所说的那样:

(能量守恒定律)说明了有一个特定的物理量,我们称之为“能量”。这量在自然状态经历了各种变化后,并不会改变。

《费曼物理学讲义》理查德·费曼
借助于X射线望远镜,科学家绘制了宇宙图景
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宇宙的神秘,从来不只是在人们的想象中,它也实实在在地体现在科学中。

除了能够被观测的能量之外,在宇宙中,还存在一种人类目前无法直接观测到的能量形式,暗能量。根据物理宇宙学和天文学的研究,暗能量对宇宙的影响最大。

借助于X射线望远镜,科学家绘制了宇宙图景
宇宙今昔的质能分布。图源: 维基百科; 翻译: SciTeller编辑团队

暗能量存在的第一个观测证据来自于对超新星的测量。其结果表明,我们的宇宙并不是以一个恒定的速率在膨胀。相反,宇宙的膨胀正在加速。“暗能量假说”是当今所有对宇宙加速膨胀的观测结果的解释,最为流行的一种。

有关暗能量性质的探索,是当今天文学和物理学面临的最令人兴奋的问题之一。它可以是真空能,也可以是一种时变能量场。对这个问题的回答,可能会引发物理学的一场根本性的变革。

借助于X射线望远镜,科学家绘制了宇宙图景
图源: Pixabay

星系团是由星系组成的自引力束缚体系,通常其尺度在数百万光年,包含了数百至数千个星系。星系团是宇宙中最大的坍缩物体。它们的形成和演化受重力(即暗物质)支配,而它们的大规模分布和数密度则取决于宇宙的几何结构(即暗能量)。

借助于X射线望远镜,科学家绘制了宇宙图景
IDCS J1426星系团。图源: 维基百科

对星系团进行X射线观察,能够提供有关宇宙膨胀速率、可见物质的质量分数以及原始涨落幅度的信息,从而帮助科学家们进一步了解星系团的起源以及整个宇宙的结构。

2019年7月13日,搭载着eROSITA(成像望远镜阵列进行的扩展伦琴测量)的俄国-德国联合“光谱-伦琴-伽马”(SRG)太空任务的火箭,从拜科努尔航天发射基地成功发射。随后成功部署在日地拉格朗日L2点,距离地球150万公里。

eROSITA的示意动画。来源: 马克斯·普朗克地外物理学研究所

这次的任务有3个科研目的:

  • 探测5-10万个星系团和星系群的热星系间介质和星系团间的热气体,绘制宇宙大尺度结构图,研究宇宙结构演化;
  • 系统地探测附近星系,以及多达300万个新的、遥远的活动星系核中所有被遮蔽的吸积黑洞;
  • 详细研究银河系X射线源群组的物理特性

经过182天的观察,eROSITA团队于本月19日发布了第一张全天图像,显示了令人大为惊叹的宇宙图景。

借助于X射线望远镜,科学家绘制了宇宙图景
第一张宇宙全天图像。来源: 马克斯·普朗克地外物理学研究所

eROSITA记录了超过100万个发出X射线的物体,包括吞噬物质的黑洞、白矮星和中子星等紧密且燃烧殆尽的恒星,以及恒星之间的气体,这些气体的温度高到能发出X射线的暗光。

据eROSITA团队的研究人员说,这张图像所识别的X射线源是60年来X射线天文学中所探测到的两倍,并且其延伸的距离比30年前的X射线勘测要远四倍。除此之外,仍然在进行中的俄国-德国联合的“光谱-伦琴-伽马”任务还希望,能够帮助科学家们解释被称为暗能量的神秘力量,如何抵抗重力、将物质分裂开来并加速宇宙的膨胀。

参考文献:

  1. eROSITA Project, Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik.
  2. “Our deepest view of the X-ray sky”, Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, June 19, 2020.
  3. Daniel Clery, “This is what our universe looks like to x-ray eyes”, Science News, June 19, 2020.
  4. Daniel Clery, “Update: Telescope designed to study mysterious dark energy keeps Russia’s space science hopes alive”, Science News, July 15, 2019.

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