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科学家们使用双类星体的光来测量宇宙的结构

超级计算机模拟的快照显示了115亿年前的宇宙网的一部分。研究人员创建了这个宇宙模型和其他宇宙模型,并直接将它们与类星体对数据进行比较,以测量宇宙网中的小尺度涟漪。立方体一边是2400万光年。

em使用研究人员领导的一个研究小组首次测量了宇宙网中小规模波动的情况,这些宇宙网仅在宇宙大爆炸发生后20亿年。 / em

天文学家认为,星系间空间中的物质分布在一个称为宇宙网的互连细丝结构的巨大网络中。宇宙中几乎所有的原子都存在于这个网络中,这是宇宙大爆炸遗留下来的残余物质。海德堡马克斯普朗克天文学研究所的研究人员领导的一个小组在宇宙大爆炸后仅20亿年就首次测量了宇宙网中的小尺度波动。这些测量是通过一对新类型的技术使用的,这些技术使用类星体来沿着相邻的,紧密分开的视线探测宇宙网。他们承诺帮助天文学家重建宇宙历史的早期章节,称之为再电离时代。

宇宙中最贫瘠的地区是星系间空间的偏远角落。在这些星系之间的广阔空间中,每立方米只有几个原子 - 大爆炸时留下的弥漫的氢气雾霾。从最大尺度上看,这种弥散材料占据了宇宙中的大多数原子,并填充了宇宙网络,其缠绕的链子跨越数十亿光年。

现在,由马克斯普朗克天文学研究所(MPIA)的天文学家领导的一个小组首次测量了这种原始氢气中的小尺度涟漪。虽然他们研究的宇宙网地区距离我们有110亿光年远,但他们能够测量其结构尺寸变化10万倍的变化,这与单个星系的尺寸相当。

星系间气体非常脆弱,不会发出自己的光。相反,天文学家通过观察它如何选择性地吸收来自称为类星体的远距离光源的光来间接研究它。类星体构成了银河系生命周期的一个短暂的高亮度阶段,由物质的入侵向星系的中央超大质量黑洞供电。

类星体就像宇宙灯塔一样 - 明亮的遥远的灯塔,可以让天文学家研究居于类星体位置和地球之间的星系间原子。但是因为这些高亮度的事件只持续了一小部分星系的寿命,类星体在天空中相当罕见,并且通常相隔数亿光年。

为了以更小的尺度探测宇宙网,天文学家们利用了偶然的宇宙巧合:他们发现天空中彼此相邻的极为罕见的类星体,并测量了沿星系测量的星系间原子吸收的细微差别两条视线。

使用来自罕见的类星体的光来探测宇宙网的小尺度结构的技术示意图。光谱(右下)包含光线在到达地球的过程中遇到的氢气信息以及该气体的距离。

Alberto Rorai,剑桥大学博士后研究员,研究的主要作者“最大的挑战之一是开发数学和统计工具来量化我们在这种新数据中测量的微小差异。”

Rorai开发了这些工具作为MPIA博士学位研究的一部分,并将他的工具应用于世界上最大的望远镜获得的类星体光谱,其中包括夏威夷Mauna Kea山顶10米直径凯克望远镜,以及ESO在Cerro Paranal上的8米直径超大望远镜以及位于智利阿塔卡马沙漠的Las Campanas天文台的6.5米直径麦哲伦望远镜。

天文学家将他们的测量结果与模拟宇宙结构从大爆炸到现在形成的超级计算机模型进行了比较。 “我们模拟的输入是物理定律,输出是一个人造宇宙,可以直接与天文数据进行比较。我很高兴地看到,这些新的测量结果与宇宙结构如何形成的完善模式一致,“负责超级计算机模拟工作的MPIA的博士后研究员JoseOñorbe说。

在一台笔记本电脑上,这些复杂的计算将需要近一千年的时间才能完成,但现代超级计算机使研究人员能够在几周内完成这些计算。

负责测量的MPIA研究小组的负责人Joseph Hennawi解释说:“这种小规模波动如此有趣的原因之一是,它们将宇宙网中气体的温度信息编码为仅仅几十亿年后宇宙大爆炸“。根据目前的知识水平,宇宙有相当多的年轻人:最初,大爆炸后约40万年,宇宙冷却到可能产生中性氢的程度。那时,几乎没有天体,因此没有光。直到数亿年后,这个“黑暗时代”才结束,一个新时代开始了,在这个时代,恒星和类星体发出光芒,并发出高能量的紫外线。后者是如此强烈,以至于他们在电子的星系间空间中抢夺原子 - 气体再次被电离。

何时何地发生重新电离是宇宙学领域最大的开放性问题之一,这些新的测量结果提供了重要的线索,有助于叙述宇宙历史的这一章。

出版物:Alberto Rorai等人,“测量小尺度结构的星系间媒体使用密切的类星体,“科学2017年4月28日:卷。 356卷,6336期,第418-422页; DOI:10.1126 / science.aaf9346

Source:Max Planck Institute