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

  • 湖北襄阳:抢险救援应对台风

  • 浙江舟山:东海开渔首批梭子蟹回港

独家策划

推荐阅读
在技术层面,根据信号采集方式的不同,脑机接口可分为非植入式与植入式两大类。从科幻场景落地现实应用,脑机接口的研发初衷并非打造“超人”,而是帮助残障病患重建行动与交流能力。
2026-08-13 09:48
2025国际数字能源展上的深圳虚拟电厂管理中心展区。国家能源局公布的数据显示,截至2025年底,全国已建成470个虚拟电厂项目,实测最大调节能力1685万千瓦,形成全球规模领先的虚拟电厂集群。
2026-08-13 09:46
深远海风电开发,输电是关键一环。亚洲首个采用柔性直流输电技术送出的海上风电项目——三峡新能源江苏如东800兆瓦海上风电项目近日交出答卷:截至8月11日,累计发电量突破100亿千瓦时。
2026-08-13 09:44
近年来,河北省张家口市塞北管理区依托当地气候特点和优质土壤资源,以科技为支撑、机械化为保障,建设高标准农田,种植马铃薯、胡萝卜和春小麦等农作物,目前该区已建成高标准农田8.18万亩,农业机械化生产率超95%。图为8月11日,在张家口市塞北管理区的田间,农机手操作农机收获春小麦。
2026-08-13 09:40
中国汽车工业协会12日发布数据显示,2026年7月份,新能源汽车月度新车销量占比首次超过60%、累计占比首次超过50%;月度出口量连续两个月突破100万辆,新能源汽车出口占比连续两个月超过50%。
2026-08-13 09:37
极端天气正在深刻影响各国民众的生活选择,而中国的绿色产品正在其中扮演越来越关键的角色。
2026-08-12 10:23
近日,山东省青岛市首家机器人6S体验店开业,吸引众多消费者前来参观体验。
2026-08-12 10:21
近日,中国科学院南京地质古生物研究所晚古生代研究团队副研究员要乐、王秋来与中国科学院青藏高原研究所副研究员魏强合作,首次系统揭示了地球倒数第二次大冰期的完整过程与机制。
2026-08-12 10:20
北京大学周丰教授、王旭辉研究员团队揭示极端高温影响水稻产量的新机制,相关成果于近日发表。
2026-08-12 10:16
增强科技创新体系化攻关能力,就是要以系统思维统筹国家创新体系的各类主体、各个环节、各项要素,构建安全可控、高效协同、良性循环的创新生态,提升国家创新体系整体效能。
2026-08-12 09:59
如果一个人童年时曾遭遇不幸和逆境,常让他在成年后面对风浪时,更容易陷入焦虑、抑郁等情绪障碍。目前,人们还没有能治疗童年逆境对大脑深远影响的办法,其中一个重要原因,就是过去没弄清背后的分子机制。
2026-08-11 09:41
日前发布的《加快农业农村现代化“十五五”规划》,将粮食综合生产能力确定为约束性指标,明确提出粮食综合生产能力从2025年的1.39万亿斤,提升到2030年的1.45万亿斤左右。在汶上县,2025年粮食种植面积稳定在150万亩、产量超过14亿斤;今年小麦平均亩产581.5公斤,眼下秋粮玉米长势喜人。
2026-08-11 09:39
氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源。氢能能量密度大,在长距离运输上有优势,被应用于公交客运、冷链运输、干线物流等场景。依托国家氢能示范城市群政策牵引,截至2025年底,我国氢燃料电池汽车累计销量近4万辆,氢燃料电池应用场景向矿卡、船舶、无人机、轨道交通等延伸。
2026-08-11 09:35
5月4日,人们在浙江省杭州市文三数字生活街区的AI黑科技市集上体验DeepSeek(深度求索)的人工智能大模型。从东南亚的政务服务到中东的能源行业,从欧美的初创企业到拉美的电商平台,中国大模型正在用实实在在的能力赢得全球用户的信赖。
2026-08-11 09:31
今年4月,上海极地考察国内基地,中国极地研究中心(中国极地研究所)极地船舶管理中心主任赵炎平望着完成考察任务的“雪龙”号,嘴角微微上扬,脸上洋溢着笑容。系统正式投运那一刻,孙宏斌说自己“很激动”,因为我国极地科考告别了40年的柴油依赖,率先迈入绿色能源新纪元。
2026-08-11 09:26
研究团队在实验室造了一个微型“知识世界”:图片是节点,关联概率是连线——像城市路网,有的路口四通八达,有的只有羊肠小道。罗欢说:“这意味着,那短短的先期接触,已经在大脑中搭起了一副以核心结构为支撑的压缩骨架。
2026-08-11 09:25
望远镜建起来后,让它们高效、智能、持续地产出高质量数据及成果,才是真正的挑战。而这道题的关键解法,就是人工智能。
2026-08-10 09:58
中国环流三号装置升级改造项目低温系统罐区14台大型储罐日前全部安装就位,标志着核聚变研究从零散单点技术攻关正式跨入多系统协同集成的工程化新阶段。
2026-08-10 09:57
近年来,我国加快布局空、海、潜一体化智能装备体系,构建起全域覆盖、自主可控的海洋立体安防网络,为海洋产业高质量发展筑牢安全屏障。
2026-08-10 09:55
当前,分散化、碎片化的创新模式已无法适应高水平科技自立自强的新要求,必须加快构建支持全面创新的体制机制,为发展新质生产力、确保2035年进入创新型国家前列提供澎湃动能。
2026-08-10 09:51
加载更多