点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:最简单的结构 传递远方的信息
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

最简单的结构 传递远方的信息

来源:光明网2020-11-13 11:01

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  羟基(OH)是最简单的分子之一,仅由一个氧原子和一个氢原子组成。在初中化学里面我们就经常接触带电的羟基,也就是氢氧根,它在地球上很常见。而在遥远的宇宙中,是否也存在这种分子呢?

  早在1963年,麻省理工学院(MIT)的Sander Weinreb等人就利用射电望远镜探测到了星际介质中OH的谱线[9]使其成为首个在射电波段被探测到的星际分子。

  其实在上世纪五十年代,苏联的I. S. Shklovsky 和美国的 C. H. Townes就分别提出在星际介质中存在OH,并有可能在射电波段被探测到。然而随后的几次实验性的观测都未能探测到星际介质中的OH信号,其中还包括后来因发现宇宙微波背景辐射而拿到诺贝尔奖的Arno Penzias的观测。[9]

  在六十年代初期,Weinreb还是MIT在读的博士生,他在博士期间开发出了世界上第一台自相关频谱仪,并将其用在了一面26米口径的射电望远镜上(图1)。这面加装了新设备的望远镜很快就探测到了来自太空的OH谱线。随后Weinreb的自相关频谱仪技术也被广泛应用到了其他射电天文望远镜上,成为探测星际分子谱线的利器。

最简单的结构 传递远方的信息

图1. 1958年MIT 林肯实验室的26米射电望远镜(图源:wikipedia)

  Weinreb当时探测到的是OH波长为18厘米处的两条谱线,对应频率分别为1665 和1667 MHz。不过由于那时人们对OH能级跃迁常数的计算不够精确,对OH的激发温度也不太清楚,因此Weinreb并没能通过测到的谱线计算出准确的OH含量[6]。

  直到六十年代中后期,人们才给出比较精确的OH跃迁常数,再加上后来对OH在星际介质中激发温度的深入了解[4],才使得OH谱线的测量在天体物理中有了更广泛的应用。

  OH在18厘米附近实际上有四条谱线,对应了OH分子四种转动能级之间的跃迁。这些不同能级之间跃迁信号使得人们可以对地球以外的原子物理参数进行独立的检验。

  在2005年,Nissim Kanekar等人就利用一个距离地球80多亿光年外(共动距离,红移z=0.765)的OH吸收线光谱对原子物理中的精细结构常数进行了达到万分之一精度的测量,并发现在这种测量精度下,这个位于遥远宇宙的系统中的精细结构常数与地球实验室中测到的数值几乎一样[5]这也在一定程度上证明了我们在地球上发展出的原子物理,在跨越了茫茫宇宙的空间和时间之后,仍然是成立的。

  此外,OH还是氢分子很好的示踪气体。宇宙中最多的原子是氢原子(H),而最多的分子则是氢分子(H2)。由于氢分子有较强的对称性 — 由两个一模一样的氢原子组成,它在星际介质的低温环境下能发出的辐射极其微弱,用现有的望远镜几乎无法探测。因此人们一般会利用一些与氢分子混合在一起的其他分子,比如一氧化碳(CO)和OH,来作为氢分子的示踪分子。

  国家天文台的许铎、汤宁宇和李菂等人[6,8,10]就曾发现在很多弥散的星际分子气体中,只能探测到OH谱线却没有CO,说明OH比CO对这些弥散的暗分子气体具有更好的示踪效果。

  OH虽然比氢分子更容易探测,但是它在一般星际介质中的温度很低,甚至接近宇宙微波背景辐射的温度,约3.5K[6],因此需要很长时间的积分才能探测到微弱的发射线。除了在银河系内以及一些特殊的脉泽星系之内能探测到OH外,在一般河外星系中,几乎看不到OH的射电谱发射线。天文学家于是利用了一个巧妙的办法来探测宇宙学距离上的OH射电信号,那就是吸收线。

  吸收线探测的原理很简单:如果在遥远的宇宙中有一个非常亮的背景源,那么它发出的光在穿过一团含有OH的气体云之后,就会在其光谱的18-厘米附近产生吸收线(图2)。其实Weinreb 最初在1963年发表的星际介质中的OH射电谱线就是通过这种方法看到的,只不过他看到的是银河系内气体云中的OH谱线。天文学家在后来的观测中将这种方法用在了对河外星系的观测当中,并成功探测到了一些遥远星系里的OH[5]。

最简单的结构 传递远方的信息

图2. 吸收线的产生与探测示意图(图源:作者)

  即便是利用吸收线探测,由于OH的相对含量较低,对望远镜的探测灵敏度要求很高,目前吸收线探测成功的例子屈指可数。比如N. Gupta等人利用现今世界上最大的一批射电干涉阵,美国的甚大阵(VLA),印度的巨米波射电望远镜(GMRT),以及荷兰的韦斯特博克综合孔径射电望远镜(WSRT,图3),观测了9个目标,但是只探测到了一个OH吸收线[3];而Kathryn Grasha等人利用美国的100米口径绿岸射电望远镜(GBT)搜寻了数十个目标,一个新的OH吸收线都没有探测到[1,2]。

最简单的结构 传递远方的信息

图3:荷兰WSRT射电望远镜阵(图源:wikipedia)

  至今为止,只有6个非脉泽的河外星系中探测到了OH 射电吸收线。不过这些未能探测到OH吸收线的大量数据也对这些遥远星系中的OH含量上限做出了很好的限制:OH含量约为氢原子含量的百万分之一到千万分之一左右。

  我国的五百米口径球面射电望远镜(FAST,中国天眼)是现今世界上最灵敏的单天线射电望远镜,极大有助于对遥远星系中OH吸收线的探测。国家天文台的郑征、李菂、汤宁宇,以及澳大利亚悉尼大学的Elaine Sadler和英国牛津大学的James Allison组成的一个科学团队利用FAST对一批9个明亮的河外星系射电源进行了一系列测试性的观测[11]。

  FAST观测到的光谱数据虽然未能探测到这批星系中的OH吸收线,却对其中OH的含量做出了迄今为止最强的限制:它们的OH含量小于其氢原子含量的五千万分之一。

最简单的结构 传递远方的信息

图4. OH含量(纵轴)随宇宙学红移(横轴)的变化(图源:Zheng et al. (2020))

  除此之外,在综合了FAST最新的观测数据和之前不同望远镜的观测结果之后,我们发现OH在星系中的含量随着宇宙的演化是变化的(图2):随着宇宙学红移的减小(宇宙年龄增大),OH的含量越来越少。而这暗示着星系中分子气体的含量在过去的70亿年以来下降了超过一个数量级。

  我们将继续利用FAST进行更多的河外OH吸收线搜寻,而正在建设之中的平方公里阵(SKA)在建成之后也将是进行此类探测的更有效的利器。

  参考文献:

  [1] Grasha, K., et al., A Search for Intrinsic H i 21 cm and OH 18 cm Absorption toward Compact Radio Sources, 2019, ApJS, 245, 3

  [2] Grasha, K., et al., The evolution of neutral hydrogen over the past 11 Gyr via H I 21 cm absorption, 2020, MNRAS, 498, 883

  [3] Gupta, N., et al., Discovery of OH Absorption from a Galaxy at z ∼ 0.05: Implications for Large Surveys with SKA Pathfinders, 2018, ApJL, 860, L22

  [4] Heiles, C., Normal OH emission and interstellar dust clouds, 1968, ApJ, 151, 91

  [5] Kanekar, N., et al., Constraints on Changes in Fundamental Constants from a Cosmologically Distant OH Absorber or Emitter, 2005, PRL, 95, 261301

  [6] Li et al., Where is OH and Does It Trace the Dark Molecular Gas (DMG)?, 2018, ApJS, 235, 1

  [7] Robinson, B. J. & McGee, R. X., OH Molecules in the Interstellar Medium, 1967, ARA&A, 5, 183

  [8] Tang, N. et al., OH Survey along Sightlines of Galactic Observations of Terahertz C+, 2017, ApJ, 839, 8

  [9] Weinreb, S., et al. Radio Observations of OH in the Interstellar Medium,1963, Nature, 200, 829 [10] Xu et al., Evolution of OH and CO-Dark Molecular Gas Fraction across a Molecular Cloud Boundary in Taurus, 2016, ApJ, 819, 22

  [11] Zheng, Z., et al., A pilot search for extragalactic OH absorption with FAST, 2020, MNRAS, 499, 3085

  作者简介:

  郑征,国家天文台副研究员,主要研究领域为星系形成与演化,河外吸收线等。

  李菂,射电天文学者,FAST首席科学家。发展了氢气窄线自吸收方法,现为突破基金会“聆听计划”咨询委员。

  汤宁宇,国家天文台助理研究员,主要研究领域为星际介质演化。

[ 责编:赵宇豪 ]
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

  • 做好应急抢险举措 应对台风“巴威”影响

  • 车手、蜂农与游客共赴一年花期之约

独家策划

推荐阅读
正午时分,天山北坡日头正烈。新疆维吾尔自治区昌吉回族自治州奇台县老奇台镇二畦村,种植户张国安又下地了。
2026-07-13 10:02
“始终坚持生态优先、绿色发展”,是青海发展的根本遵循。
2026-07-13 10:02
时隔9年,中国超算重返世界第一!不久前举行的国际超算大会上,国家超级计算深圳中心发布新一代“灵晟”超算系统,实测持续性能达到2.19EFLOPS(百亿亿次/秒),成为世界首台持续性能超2EFLOPS的超算系统。
2026-07-13 10:01
广东深圳海滨中学篮球场上,一名青年在运动中突然倒地昏迷,出现心脏骤停,在场的师生迅速使用AED(自动体外除颤器)对青年实施心肺复苏,挽救了青年的生命。
2026-07-13 10:01
习近平总书记在全国生态环境保护大会上指出,“要站在人与自然和谐共生的高度谋划发展”。生态环境法典将“人与自然和谐共生”从政治宣示转化为法律语言,从价值理念转化为制度规范。
2026-07-13 09:43
习近平总书记在国家科学技术奖励大会、两院院士大会、中国科协第十一次全国代表大会上强调,“十五五”时期是科技强国建设的关键攻坚期。必须抓住历史机遇,迎接时代挑战,加快推进高水平科技自立自强,向着到2035年建成科技强国的目标坚定迈进,扎扎实实以科技创新支撑和引领中国式现代化。
2026-07-10 09:45
围棋长期被视为高度依赖经验、直觉和审美判断的领域,棋手通过棋谱、布局、定式、手筋和长期对局积累对“好棋”的理解。这类进展的意义,不只是“提高实验效率”,更深层的变化在于,它改变了科学发现中“候选对象”生成的方式。
2026-07-10 09:43
丁烈云认为,面向工程难题,要用工程理论支撑技术突破,打通“工程科学—工程技术—产业应用”完整链条,让前沿科技真正服务于社会。针对高端装备制造转型升级痛点,中国工程院院士郭东明系统阐释了高性能制造的全新发展理念。
2026-07-10 09:41
在9日举行的两院院士大会上,我国石油地质与勘探专家邱中建院士荣获第十六届光华工程科技奖成就奖,高性能精密制造专家郭东明院士等39人荣获光华工程科技奖。
2026-07-10 09:40
人民大会堂万人大礼堂的巨大天幕上,灯光璀璨,熠熠生辉;礼堂内,中国科技界的杰出代表们,肩负全国科技工作者的重托,济济一堂、共襄盛会。
2026-07-10 09:39
水的氢键强度及动力学过程全量子效应研究:在一滴水中探寻物理之美 在王恩哥看来,物理学研究有一个很大的特点,就是它能把复杂的事情简单化,并且抓住其中最本质的问题——这就是物理学的魅力所在。
2026-07-09 09:51
而这一切的起点,要回到半个世纪前——在中国科学院物理研究所那间废弃的鸡舍里,陈立泉铺开了这张后来冠绝全球的“电动”蓝图。自1981年起,在中国科学院的持续支持下,实验室瞄准真正实用的锂电池,牵头组织并承担了一系列国家重大项目。
2026-07-09 09:51
谈及荣获国家最高科学技术奖,贲德谦虚地说:“这不是我个人的奖,而是所有‘雷达人’的荣誉。从原理探索到技术攻关再到雷达建造,10余载春秋,为了研制代号“7010”的远程相控阵雷达,贲德与团队闯过了一个又一个难关。
2026-07-09 09:50
发展数智经济,通过促进科技创新和产业创新深度融合培育新质生产力。为此,笔者建议,应从要素供给、产业融合、创新转化和制度保障四个方面发力,把数智经济的技术势能转化为新质生产力的发展动能。
2026-07-09 09:50
耄耋之年,她坐着轮椅来到采访室,一身深蓝素装,神情温和。她,就是“七一勋章”获得者、中国工程院院士、中南大学教授钟掘。1960年,钟掘毕业后来到岳麓山下的中南矿冶学院,一头扎进被人称作“傻大黑粗”的冶金机械行业。
2026-07-09 09:49
中国科协第十一次全国代表大会是在“十五五”开局之年召开的一次重要会议,是科协系统和广大科技工作者的一次盛会。实践充分证明,我国科技工作者始终胸怀祖国、服务人民、勇攀高峰、敢为人先,不愧为党和国家充分信赖的优秀队伍和建设科技强国的中坚力量。
2026-07-09 09:49
从安装智能芯片的比赛用球,到协助裁判的视频技术,再到支持百万球迷转运的中国列车……这支“中国队”被美国消费者新闻与商业频道誉为世界杯供应链“不可或缺的一环”。
2026-07-08 10:08
7月7日是小暑节气,恰逢年度“最小太阳”现身天宇。当日凌晨2时左右,地球过远日点,这是一年中地球距离太阳最远的位置,这天观测到的太阳视直径为全年最小。
2026-07-08 10:06
近日,西南石油大学新能源与材料学院光伏材料与技术科研团队传出好消息:其研发的小尺寸超高效叠层太阳能电池光电转换效率接近35%,大幅超越常规太阳能电池的光电转换效率。
2026-07-08 10:04
目前,大连海事大学已与72家行业单位建立联合培养,共建162个专业实践基地、4个工程技术中心,聘任600余名企业导师,真正实现“工程出题、校企共答、产业阅卷”。
2026-07-08 09:52
加载更多