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摘要: 波士顿大学的一个小组发现了超过2000个疑似的星系团。现在他们要对这些疑似星系团中的成员星系进行进一步观测,以确定它们的真实距离,排除“投影效应”,证明它们确实是星系团。

至今为止最远的一串星系团暴露,就因为一个特殊形状

出品:川陀太空

译者:王善钦(加州大学伯克利分校天文系)

作者:Kate Becker (波士顿大学)

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译者序:

        绝大部分大质量星系的中心有一个超大质量黑洞,这些黑洞的质量在几百万个太阳到几百亿太阳之间。如果在距离这些黑洞足够近的地方有大量气体和尘埃,后者就会落入黑洞之中。这些气体与尘埃下落时,内部发生剧烈的摩擦,使自身温度上升到上万度,发射出强烈的多波段辐射(伽玛射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、射电辐射),这就是活动星系核(activegalactic nuclei,AGN)的发光原理。“类星体”就是一种活动星系核中的一种。

        黑洞吞食这些气体与尘埃时,由于磁场的作用,也会将一些没有落入的物质甩开,在两极方向形成喷流,喷流速度接近光速。喷流也会发出多波段辐射。如果星系发出喷流的同时被星系所在的星系团内的气体吹拂而过,喷流就会“变弯”,形成“C”形。

        波士顿大学的一个小组利用这个原理,来判断某个星系位于一个星系团之中,然后进一步使用红外望远镜和光学望远镜继续观测这个星系所在的天区,发现了超过2000个疑似的星系团。现在他们要对这些疑似星系团中的成员星系进行进一步观测,以确定它们的真实距离,排除“投影效应”,证明它们确实是星系团。

         本文介绍这个成就。


正文:

川陀太空讯   研究人员已经给出一个包含了大约200个星系团候选者的表,这个表可能包括了一些至今为止被发现的最遥远的星系团。

图:M4球状星团如同火焰般存在,其规模与星系团差距甚远,两者也不是同一个概念。

单个星系团的质量可以达到太阳的一千万亿倍, 然而遥远的星系团如此暗淡,以致于即使是地球上最大的(光学)陆基望远镜也无法看到它们。星系团能够包含几千个星系,数万亿个恒星——这些恰恰是天文学家使用普通望远镜所能看到的全部。

星系之间的热气体散发出X射线,天文学家推测,每个星系团中所含有的质量中,超过85%以暗物质的形式隐藏着。对宇宙物质的三维探测地图表明,宇宙是一个由明亮的纤维与黑暗的空洞编制成的网,星系团占据着是那些纤维的交叉点。

图:X-射线 (蓝色), 可见光 (绿色), 与红外光 (红色)所看到的大质量年轻星系团图像。(Credit: X-ray: NASA/CXC/U. Missouri/M. Brodwin et al.; optical: NASA/STScI;infrared: JPL/Caltech)

两个谜团

编织成的这张宇宙网为解答宇宙的两个谜团提供了线索,这两个谜团分别是暗物质与暗能量。

暗物质是弥漫于星系中以及星系之间的空间里的不可见物质,暗能量驱动宇宙加速膨胀。暗物质和暗能量合在一起,构成了95%的宇宙。天体物理学家通过间接的方式知晓暗物质与暗能量的存在,所谓的间接方式指的是通过它们对照亮夜空的那些恒星与星系的影响来判断它们的存在。

波士顿大学的、这篇新论文的第一作者Paterno-Mahler认为,遥远星系团的新的、隐藏的候选者可能会帮助研究人员弄清暗物质和暗能量的性质。这篇论文是这些研究人员即将陆续公布的一系列论文中的一篇。星系团是绝佳的测验台,借助于它们,人们可以探索我们宇宙的宇宙学参数,如有多少暗能量,有多少暗物质。

通过比较遥远星系团与近距离星系团,研究人员能够给出星系如何形成与生长的时刻表。这是因为来自遥远星系图的光必须在宇宙中穿行数十亿年才可以到达地球, 因此天文学家看到的星系团是它们很久以前的样子。

论文的共同作者之一、密苏里大学堪萨斯分校的助理教授 Mark Brodwinren认为,星系团是宇宙中质量最大的(引力)坍缩结构,如果我们要研究它们的形成与演化,我们需要研究很大范围的距离内的星系团,一直向后追溯。而星系团给了天文学家一个具有类似年龄的星系的大样本,它们也提供了一个可以用于研究单个星系如何随着时间变化的实验室。

作为波士顿大学天文副教授与这个研究小组的带头人物,天文学家Elizabeth Blanton认为,你必须有一串处于同一时期、聚集在同一片空间里的星系, 用来和近得多的星系比较。Elizabeth Blanton早在20多年前就开始搜寻遥远星系团。

星系离地球越远,看上去就越暗。传统的光学望远镜必须持续对准天空中的一个点很长时间,才可以收集到足够多的光,来发现一个遥远的星系团。而且,巡视整个天空,是时间不允许的。因此, 为了制作出新的(星系团)表, Blanton 与她的小组搜寻已经被存档的数据,以期获得何处有星系团的线索,然后用靶式望远镜进行后续观测。(译者注:“targeted telescope”此处直译为“靶式望远镜”,这类望远镜直针对固定目标进行一定时间的持续观测;另一类望远镜为“巡天望远镜”,周期性地扫描天空中的多个目标甚至整个天区)。

发现线索

天文学家对线索的追踪从下面这个事实出发:几乎每一个大星系的中心都有一个超大质量黑洞。这些黑洞是臭名昭著的、肮脏的吞食者,当它们狼吞虎咽时,一些被吸入的尘埃与气体又被抛出,形成巨大的、螺旋的喷流。

这些喷流延伸到星系尺度那么大并继续向外,而且它们制造出射电波上的轰鸣,后者可以被地球上的射电望远镜探测到。如果星系恰好穿过星系团内部的炽热气体 (或者气体穿过星系), 喷流就会弯折成一个特征性的“C”形。天文学家Elizabeth Blanton将其形容成就像你的头发被风吹过,这个“C”形构型是某处存在一个可能星系团的第一个线索。

左:来自斯隆数字巡天(Sloan Digital Sky Survey)的可见光图像看上去是空的。右:但斯必泽空间望远镜(Spitzer Space Telescope)获得的图像发现了大量遥远的星系。叠加上去的射电波地图(绿色线)揭示出一个泄露天机的、一个相对于星系团气体运动的星系拥有的“C”形。 (Credit: Blanton et al./Boston U.)

Blanton的团队仔细检查了已有的巡天数据并发现了大约2000个这样的(拥有“C”形射电图的)特殊物体。然后Joshua Wing将这些疑似星系团与斯隆数字巡天(Sloan DigitalSky Survey)获得的可见光(光学)图像进行比较,这个工作是他毕业论文选题的一部分。

Blanton称,最激动人心的候选者是那些斯隆数字巡天看起来很暗的物体,这暗示了:射电信号可以来自那些远到斯隆数字巡天望远镜完全无法观测到的星系团。

在可能性进一步缩小之后(译者注:此处指其他可能性被进一步排除,候选体是星系团的可能性提高), 他们使用斯必泽空间望远镜(Spitzer Space Telescope)去逐个观测大约650个可能的星系团(原文注:斯必泽对红外线最敏感, 人眼看不到红外线,但红外线却是观测遥远星系的理想工具。)

在计算机的帮助下,他们计算出每个斯必泽照片中的星系数目,并与差不多大小面积的天区中拥有的星系的典型数目进行比较。星系数目异常大——所谓的“超密”——意味着有星系团。

但是,过密并不是星系团存在的决定性证明。Blanton解释道:你看到的是三维空间里分布的物体的二维图,它们中的一些可以是在前面,或者在后面。

图:阿贝尔2744星系团

这些 “投影效应”能制造出星系团存在的幻觉,但那里实际上什么都没有。这个小组正在进行中的下一步是测量这些疑似星系团中的每一个星系的距离,以确定这样的结团是真实的结团,而不是光学幻觉。

Emmet Golden-Marx 已经使用4.3米口径的“探索频道望远镜”(Discovery Channel Telescope)确认出其中几个星系的距离,Blanton 希望获得哈勃空间望远镜(Hubble Space Telescope)的观测时间以及位于夏威夷的两台10米口径的凯克望远镜(Keck telescopes)中的一台去获得更精确的距离测量。

一旦距离被确认,这个小组将可以依据年龄将星系团恰当排序并确认它们的星系团表是否真的包含至今为止发现的最遥远星系团。(译者注:距离越大的,越“年轻”,按照距离给它们的年龄排序。)

这项研究的结果已经发表于《天体物理学杂志》(the Astrophysical Journal)。对这项研究有贡献的其他研究者来自密苏里大学堪萨斯分校与哈佛-斯密松天体物理中心(CfA) 。

美国国家自然科学基金(The National Science Foundation)与美国国家航天航空局(NASA)支持了这项被称为“COBRA”(全称:Clusters Occupied by Bent Radio AGN, 或 active galactic nuclei,被弯曲的射电活动星系核占据的星系团)。

来源: 波士顿大学

(相关论文出版日期:2017年7月25日)

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责任编辑:科罗拉多大学地球科学Dr. zhang

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