正在阅读: 某些天文学家竟然和小朋友喜欢同样的东西
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

某些天文学家竟然和小朋友喜欢同样的东西

来源:光明网2018-07-04 10:09

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

    某些天文学家竟然和小朋友喜欢同样的东西……

    说到氢,它是小朋友和天文学家最喜欢的元素之一。氢气球让小朋友们有了很多乐趣(当然,由于氢气球的危险性,现在氢气球逐渐被氦气球替代了)。氢也是宇宙中最丰富的元素,是形成恒星和星系的重要原材料。很多星系中充满了原子氢气体(有些星系就没什么气体),不过星系不会像氢气球一样飞起来哦!

    氢聚变产生的能量点亮了恒星,让太阳发出了光和热,温暖了地球,让万物得以生长。星系中的氢元素除了形成恒星,还有一部分会剩下来,以中性氢原子形式存在,我们称之为中性氢。

    星系中的中性氢气体虽然总质量通常比恒星的总质量少,但分布却非常广泛。观测中,旋涡星系的恒星盘尺度通常只有中性氢分布尺度的三分之一。也就是说,在星系外围,已经看不到星光的地方,还有大量中性氢气体(图1)。

某些天文学家竟然和小朋友喜欢同样的东西

    图1: 旋涡星系M51,中性氢成图(深蓝色)叠加在光学图像上(颜色偏白的部分是M51的光学图像,图中的白点是前景恒星)(来源:NRAO/AUI and Juan M. Uson, NRAO)。

    中性氢原子在没有吸收光子的情况之下,自身也会产生辐射。这是因为处于基态的中性氢原子的电子自旋和核自旋相互作用,会从电子自旋从与核自旋平行的高能态跃迁到与核自旋反平行的低能态,发出波长为21厘米、频率为1420.4057517667 MHz的射电谱线,这就是中性氢21厘米谱线(图2)。

    尽管这个跃迁概率很低,然而因为在宇宙中存在的氢原子个数异常众多,所以能够一直探测到来自于宇宙氢原子的这种特征辐射。正是利用这条谱线,天文学家从而可以推断宇宙中中性氢原子的分布。由于这条谱线是射电天文的重要频段,这个频段受到保护,其他业务不得占用。

某些天文学家竟然和小朋友喜欢同样的东西

    图2:中性氢21厘米谱线的原理(来源:Wikipedia)。

    当中性氢原子与我们保持相对静止时,中性氢21厘米谱线的频率为静止频率1420.4057517667 MHz。当中性氢原子朝向我们和远离我们运动时,21厘米谱线的频率会发生多普勒移动,朝向我们时频率升高,远离我们时频率降低。所以通过测量21厘米谱线的频率我们就可以知道远处中性氢气体的运动速度。我们正是通过这个原理测量了银河系及河外星系中的中性氢的运动状态。

    前面说过,中性氢在星系中的分布比恒星广泛,这也使得通过中性氢的观测可以看到光学观测看不到的信息。一些相距比较近的不同星系从通常的光学观测看起来没有什么异常,而中性氢观测却可以发现星系间的中性氢气体发生相互作用(图3)。

某些天文学家竟然和小朋友喜欢同样的东西

    图3:中性氢观测可以看到光学观测尚难发现的星系间的相互作用(来源:SKA)。

    通过中性氢观测,天文学家也测定了一些星系的旋转速度。结果发现很多星系都转得太快了(图4)!不是说转得太快有问题,而是说转得那么快,星系中的中性氢气体还没有散开。

    大家可能对没有挡泥板的自行车经过水坑时有所体会,在车速不快的时候没有什么问题,但是在车速快时,会甩一背脊泥。中性氢气体也类似,在星系转得快的时候,如果没有足够的引力,理论上这些气体应该被甩出星系,可是观测却不是这样的。因此天文学家猜想星系中存在一些看不见的物质,提供了额外的引力,从而保证了星系中的中性氢气体不散开。这些看不见的物质就是“暗物质”。

某些天文学家竟然和小朋友喜欢同样的东西

    图4:星系的外围旋转速度比预计的要快很多。天文学家因此猜测存在暗物质(来源:Queen's University)。

    为了观测中性氢,天文学家需要借助射电望远镜。射电望远镜原理和电视天线类似,一般通过反射面将信号汇聚起来,由接收机接收、放大,进行后续处理。

    世界上已经建成了很多射电望远镜,其中比较著名的有美国的阿雷西博(Arecibo)望远镜(图5)、绿岸望远镜(GBT)、德国的艾菲尔斯伯格(Effelsberg)望远镜、澳大利亚的帕克斯(Parkes)望远镜。这些望远镜都进行过中性氢观测。

某些天文学家竟然和小朋友喜欢同样的东西

    图5:Arecibo望远镜(来源:H. Schweikerm, NAIC, Arecibo Observatory)。

    Arecibo望远镜的ALFALFA中性氢巡天找到了数万个中性氢星系,GALFA巡天对银河系中的中性氢进行了成图。GBT由于几乎没有驻波的影响,对中性氢柱密度测量有很高的精度。GBT对星系间的中性氢进行了一些成图。Effelsberg和Parkes望远镜共同完成了目前最精细的全天中性氢成图(图6)。

某些天文学家竟然和小朋友喜欢同样的东西

    图6:Effelsberg和Parkes望远镜共同完成的HI4PI全天中性氢成图(来源:HI4PI Collaboration)。

    我国已经建成的FAST望远镜未来最重要的科学目标之一就是进行中性氢观测,包括搜寻河外中性氢星系和银河系内的中性氢成图。相比之前的中性氢观测,FAST可以找到更多的中性氢星系,使我们了解质量更小的中性氢星系的性质。

    FAST也能测定更多、更好的近邻星系旋转曲线,对暗物质模型给出更好的限制。FAST也能对可见天区内的河内中性氢进行更精细的成图,发现星际介质中的更多细节。

    受到带宽和频率分辨率的限制。以往河内和河外中性氢观测通常是分别进行的,不过,FAST的19波束接收机(图7)覆盖1.05 GHz-1.45 GHz频段,带宽相对较宽,从一开始就对多目标同时观测进行了考虑。

    (参见FAST多科学目标同时扫描巡天网站:crafts.bao.ac.cn)。

某些天文学家竟然和小朋友喜欢同样的东西

    图7:为FAST制造、在澳大利亚测试期间的19波束接收机(来源:CSIRO)

    预计未来FAST将同时进行脉冲星、河外中性氢星系搜寻和河内中性氢成图观测。力争做到一次观测,大家满意

    作者简介:

    钱磊,国家天文台副研究员。2009年在北京大学天文学系获博士学位。2009年至今在国家天文台FAST工程工作。目前负责FAST谱线数据处理工作。翻译过专著《黑洞吸积盘》以及若干科普文章。

    文字编辑:苟利军

    美编:彼得堡

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 直播|作物科学与农业现代化

  • “蛟龙号”完成科考最后一潜

独家策划

推荐阅读
小浪底水利枢纽是黄河干流三门峡水利枢纽以下唯一能够取得较大库容的控制性工程。今年9月12日是小浪底水利枢纽主体工程开工30周年的日子。
2024-09-12 10:26
新中国成立75年,写下了农业发展巨变的伟大历史篇章。党中央强农惠农富农政策,让“中国人的饭碗牢牢端在自己手中”有了新底气,让农民世代居住的绿水青山变成“金山银山”有了新希望。
2024-09-12 10:24
记者调查发现,免密支付、先用后付、极速付款、小额自动扣费等网络支付设置,这些支付手段在为网购服务提供便利的同时,却让不少消费者头疼不已,甚至有时候一不小心误操作就掉进陷阱,“莫名其妙”就花了钱。
2024-09-12 10:23
9月12日是中国预防出生缺陷日,今年活动的主题是“预防出生缺陷,守护生命起点健康”。
2024-09-12 10:21
截至9月9日16时,海南省12345热线受理涉及台风“摩羯”的相关诉求60536件,办结45964件。
2024-09-12 10:15
10日,首批6辆身着轻薄碳纤维复合材料“外衣”的重载铁路货车缓缓驶出生产线,展现出轻量化智能化的“科技范”,标志着全球首批碳纤维复合材料轻量化重载铁路货车正式下线。
2024-09-11 04:25
近年来,随着深度神经网络技术特别是AI(人工智能)算法模型的出现,AI绘画加速发展。AI绘画是继CG绘画(计算机生成绘画,即在平面设计软件辅助下进行绘画)、DSE绘画(数字特效绘画,
2024-09-11 04:25
NGC 4278具有致密的对称射电喷流结构和相对较弱的射电辐射,但其甚高能伽马射线辐射效率却显著高于射电星系,与耀变体相当。
2024-09-11 09:57
记者10日从中国航天科技集团六院获悉,当天,该院165所铜川试验中心亚洲最大高空模拟试验台考台圆满成功。
2024-09-11 09:56
9日,中国科技评估与成果管理研究会、科技部科技评估中心联合中国科学技术信息研究所在2024浦江创新论坛上发布《中国科技成果转化年度报告(高等院校与科研院所篇)2023》和《中国科技成果转化年度报告(高等院校与科研院所篇)2024》。
2024-09-11 04:25
党的二十届三中全会强调,“完善扩大消费长效机制”。消费是满足人民对美好生活向往的直接体现,更是拉动经济增长的重要引擎。习近平总书记多次强调,“要增强消费能力,
2024-09-10 04:10
超慢速扩张洋中脊的岩浆是极度贫瘠还是丰富,一直以来都是困扰科学家的难题。传统观点认为,超慢速扩张洋中脊的岩浆供给极度贫瘠。然而,最新的研究成果颠覆了这一观点。
2024-09-10 10:23
传统制造业在数字化转型中常常难以找到满意的服务商,服务商有时也无法及时了解企业需求、取得企业信任。
2024-09-10 10:20
在广袤的黑土地上,吉林省正通过实施一系列保护性耕作技术,守护着“耕地中的大熊猫”。
2024-09-10 10:17
国家天然气基础设施互联互通重点工程——国家管网集团天津LNG(液化天然气)接收站二期项目9日正式投产。投产后天津LNG接收站正式迈入千万吨级LNG接收站行列,
2024-09-10 04:10
国家林草局动植物司司长王维胜介绍,我国本着统筹就地保护与迁地保护相结合的原则,启动北京、广州等国家植物园体系建设。
2024-09-09 10:16
与MCN一起打造出海内容繁荣生态。
2024-09-10 10:20
正是中国力量,让今天的中国铁路网覆盖全国99%的20万人口以上城市,高铁网覆盖96%的50万人口以上城市,成为现代化中国壮阔征程上的绚丽篇章。
2024-09-09 10:14
在科学教育的过程中,还需重视培养科学家精神和工匠精神,培养青少年在创新过程中的自信心。
2024-09-09 10:09
朱先生一生科研硕果累累,获奖20余项,发表论文210多篇,研究成果形成了五本专著。
2024-09-09 10:05
加载更多