暗弱的微光刷新我们对宇宙中星系总量的认知

2021-02-03 11:48:27来源：科技日报

根据恒星的演化规律，我们知道不同质量的恒星会发出不同强度的光。通过测量得到光的强度，就能反推出恒星的总质量，进而可以粗略地知道每个星系的质量，并得到星系的数目。

——邹远川华中科技大学物理学院教授

◎本报记者刘志伟

深邃的宇宙星星点点，这些来自天体的光芒有强有弱，有些肉眼可见，有些就连大型天文望远镜都无法看清。但正是这些暗弱的微光，刷新了我们对于宇宙中星系总量的认知。

1月14日，据美国国家航空航天局(NASA)官网报道，一个国际科学研究小组在研究了“新视野号”对最暗弱天区长时间的观测结果后发现：宇宙中星系的数量可能仅有几千亿个，而不是之前利用哈勃太空望远镜的观测结果推测的两万亿个。相关研究结果发表于《天体物理学》杂志。

这一研究发现颠覆了我们的认知，为什么前后数据的差异会如此巨大?科学家如何计算出宇宙中星系的总量?带着这些问题，科技日报记者采访了华中科技大学物理学院教授邹远川。

“新视野号”为科学家打开了新视野

两个探测器，却得到了完全不同的结果。科学家对于宇宙星系数量的探测主要采用哪些方式?“对星系数量的估计，最直接的方式就是‘数数’。比如斯隆巡天项目(SDSS)，就是对240万个星系进行逐一观测。”邹远川说，当然，这个数字远不是宇宙中所有星系的数目。首先，它没有对所有的方向进行观测;其次，亮度比较暗弱的星系也没有包括在内，这些星系亮度较低的原因，要么是距离太远，要么则是星系本身太小。但这些小星系，反而占了星系总量的绝大多数。

所以，要得到宇宙星系的总量，必须得把那些非常暗、无法直接观测到的星系都计算在内。

“此前，哈勃太空望远镜正是采用这种办法，得到了两万亿的结论。”邹远川说，它指向了一个没有任何已知源的天区，对这一区域进行了长达数月的观测，发现了那些非常暗弱星系的光。这些光以背景的形式出现，科学家将这些背景光通过复杂的模型计算出星系的数目，并假设其他方向的星系数目也类似，就得到了两万亿这一结论。

尽管哈勃太空望远镜功能强大，也部署在太空中，但它仍是环绕地球运行，无法直接探测到宇宙中部分太遥远、太微弱的光源，也就不能了解这些光是不是星系发出的，又是由多少个星系发出的。

为此，人类通过发射远离地球的人造卫星，甚至试图让探测器飞出太阳系，去探测这些光芒的源头。

2006年1月19日，美国“新视野号”发射升空，它的主要任务是探测冥王星及其最大的卫星卡戎(冥卫一)，以及位于柯伊柏带的小行星群。

在此次研究中，研究人员正是利用“新视野号”对冥王星和柯伊伯带最暗弱天区进行长时间、不间断观测的结果，确定了宇宙背景光亮度，该结果为模糊的未知星系数量设定了上限，表明宇宙中星系的数量只有几千亿个，而不是之前认为的两万亿个。

计算星系数量的唯一方法

为何科学家仅通过光度就可以计算出星系数量?是否还有其他方式?“事实上，对一个天体对象的探测，无非就是两种方法：一个是引力，一个是电磁波。”邹远川说，针对星系数量的探测，特别是占星系总量绝大多数的小星系，引力的作用几乎体现不出来，因此只能通过电磁波。从这个意义上说，对星系光度以及背景光的测量是唯一的方法。

不过，也可以通过测量不同波段的光，来进一步对星系数量做出更准确的限制。

邹远川介绍，根据恒星的演化规律，我们知道不同质量的恒星会发出不同强度的光。通过测量得到光的强度，就能反推出恒星的总质量，进而可以粗略地知道每个星系的质量，并得到星系的数目。

“但是星系发出的光，只占仪器所观测到的光的一部分，还有其他光也可能被计算在内。比如，太阳系中非常稀薄的尘埃，就会反射太阳光。”邹远川说，之前哈勃太空望远镜之所以得到了两万亿的结论，就是因为被反射的太阳光这部分无法完全扣除。

哈勃太空望远镜绕地球飞行，而地球在太阳系中距离太阳较近，尘埃反射的太阳光相对较强，便让科学家高估了所有星系发出的光的强度。

邹远川表示，此次研究人员能够获得这一观测结果，正是利用了“新视野号”距离太阳相对较远、尘埃反射的太阳光较弱、星系光线干扰较小的优势。

“新视野号”在位于冥王星之外、大于40个天文单位(即40倍日地距离)时拍摄了宇宙中最暗的几处天区。研究人员发现最暗的区域比哈勃太空望远镜所观测到的区域还要暗10倍。研究人员推测，哈勃太空望远镜的观测结果中“多出来”的部分，就是源自太阳光的反射，不应被认为是星系发出的光，由此得出了宇宙星系数量只有几千亿个的结论。

目前“新视野号”已经完成主要任务，往更遥远的宇宙深处飞去，最终或将飞离太阳系。

“少”了这么多星系不会影响宇宙质量

宇宙中“少”了这么多星系，是否意味着此前认为的宇宙质量也会相应减少?邹远川表示，这一研究结果并非意味着宇宙中物质质量的减少，一是因为星系数量和物质的质量并不直接成正比。星系有大有小，对星系总量贡献最大的是小星系，但它们对宇宙质量的贡献反而不是很大。二是因为，宇宙中的物质质量，约70%来自暗能量，25%来自暗物质，只有5%来自普通物质，这其中大约只有10%是发光的物质。

此外，目前的测量结果误差都比较大，只有通过不停地改进方法和扩大样本量，才能得到对宇宙越来越精确的认知。“新视野号”的这个发现，也只是在前进道路上迈进了一步。

邹远川表示，此次研究结果更新了我们对于宇宙星系数量的认知，但还没有达到颠覆性的发现。因为在定义宇宙中星系数目的时候，首先要定义宇宙，其次要定义星系。前者基本上定义为可观测宇宙，后者则要麻烦很多。星系的定义足够精确吗?小到什么程度就不算星系呢?只有在有了明确并且公认的定义后，星系总数的测量才有明确意义。这也正是无数科学家正在为之奋斗的目标之一。

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