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天文學家准備用史上最大的射電天文望遠鏡繪制宇宙地圖
2015-01-19| 【 【打印】【關閉】

  實驗將從數百個射電天線收集信號,進而繪制宇宙地圖集 

  來自世界各地的科學家已聯手做好准備,進行這個真正具有天文數字級別的實驗:繪制史上最大的宇宙地圖。 

  根據arXiv.org天體物理學預印本網站(http://arxiv.org/list/astro-ph/new)今天發表的一系列文章,一個國際研究人員團隊已經爲這個龐大的探測制定了計劃。平方公裏陣(SKA)宇宙科學工作組的研究人員已經掌握如何使用這個世界最大的望遠鏡執行這個任務。“這個團隊已經收集一系列令人激動的有助于塑造宇宙未來的設想”,來自南非開普敦大學的工作組組長Roy Maartens說道。 

  SKA是分布在南非與西澳大利亞的數千個無線電接收器與抛物面天線陣列。第一階段的工作將在2023年完成,屆時SKA總收集面積將相當于15個足球場,每天産生的數據將是整個互聯網每日流量的數倍。在第二階段,即2030年前後,收集面積還將增加十倍。    

  今天发表的論文是总数约130篇系列論文的一部分。涵盖了SKA科学多个方面,包括类星体、宇宙磁场、早期宇宙,以及寻找地外生命。这些論文将被编辑成册,以SKA科学論文集在2015年,由SKA團隊正式出版。SKA科學部主任Robert Braun说道,“这些論文的发表很有意义。这得益于所有科学工作组的辛勤工作。这些論文阐明了SKA作爲21世紀大科學裝置在不僅在天文學,也在物理、天體化學等其他諸多研究領域內蘊含的巨大潛力”。 

  如何繪制宇宙地圖:速度或精度?  

  繪制宇宙地圖的關鍵在于檢測來自氣體氫的微弱無線電輻射信號。“氫是宇宙中最常見的元素,因此我們隨處可看到氫,”來自挪威奧斯陸大學的Phil Bull说道,“这是探索物质在整个太空分布的理想方法。” 其中包含神秘的暗物质,它们虽然用望远镜完全看不到,但可通过其对其它物体(例如含氢星系)的引力被检测到。 

  繪制星系地圖的標准方法是耐心檢測衆多獨立星系發出的微弱無線電信號,這要求長時間觀測星系以測量其特征(例如距離)。這個方法雖然很耗時,但最精確,可制作非常詳細的3D物質分布地圖。研究人員希望,到21世紀二十年代末,通過這種方式可找到近十億個星系。迄今最大星系探測所繪制的星系地圖僅包含大約一百萬個星系。   

  SKA研究人員還找到了一種令人激動的替代方法,即利用望遠鏡快速掃描天空。雖然這個方法以犧牲精度爲代價,但可在短時間內探測更大的區域。“使用這種方法繪制的地圖,分辨率較低,”來自南非西開普大學的Mario Santos說道,“但對于回答有關宇宙幾何形狀與引力性質等重要問題已足夠。”這種“強度繪圖”的結果最早可在2025年得出。 

  探索宇宙奧秘的新窗口  

  對天體物理學家而言,一些最大的問題與暗能量有關。暗能量是一種神秘物質,理論上可以使宇宙以前所未有的速度膨脹。“以使宇實現目前最精確的暗能量探索,”來自美國約翰·霍普金斯大學的Alvise Raccanelli說道。“相比任何其它实验,通过使用3D星系分布地圖,我們可以更好地研究暗能量和檢驗愛因斯坦廣義相對論。”Alvise Raccanelli補充道。根據星系分布的模式,研究人員可非常精確地測量宇宙在過去數十億年中的演化曆史。  

  检验爱因斯坦引力理论是宇宙学家的又一个重要课题。“我们将探索大自然是否存在所谓的‘第五种力’,”来自中國科學院国家天文台的趙公博说道,“第5種力的存在是宇宙學尺度上修正引力的確鑿證據。” 

  如此一個大型的宇宙物質分布地圖還將打開一扇研究宇宙在大爆炸後最初時刻的新窗口。“超大尺度上觀測將向我們透露一些有關極早期宇宙的信息,”來自英國曼徹斯特大學Jodrell Bank天體物理學中心的Stefano Camera說道。通过该测量,研究人员可更加仔细地观察“宇宙暴涨”过程。暴涨理论认为我们今天所能看到的星系與星系团等结构是由早期宇宙的微小扰动演化形成的。 

  科學家表示,研究宇宙的演化不僅僅可以依靠對過去的探索。“通過在兩個不同的時期(相隔十年)觀察十億個星系,SKA將能夠直接測量宇宙的膨脹,”來自德國馬克斯·普朗克射電天文學研究所的Hans-Rainer Kl?ckner說道。相对于人类寿命的时间尺度,宇宙膨胀的过程相对很缓慢,因此进行此类直接测量“将是一种主要的技术成果以提供更多有关暗能量性质的信息,”Kl?ckner說道。 

  宇宙的形狀

   除了氫發射線的3D分布圖以外,SKA还将通过收集星系的总无线电波发射信号绘制二维地图。“此类二维地图将包含数以亿计的星系,在第二阶段将包含数十亿星系,由此我们可了解宇宙的形狀是否與我们的理论预测类似,”来自英国牛津大学的Matt Jarvis說道。

    Jarvis談到一系列問題可追溯到16世紀哥白尼時代的基本物理原理。根據此類原理,不管望遠鏡的觀察角度如何,物質的分布應大體相同。但是,最近的觀察結果顯示,該結論(稱爲“統計均向性“)可能不成立。”若該結論成立,將顛覆我們對宇宙的認識。“來自德國比勒費爾德大學的Dominik Schwarz表示。 

  了解宇宙中最大的結構是如何形成的  

  2D地圖還提供一種考察光射線如何被引力彎曲的新方式—這是愛因斯坦理論的早期預測,Arthur Eddington等人于1919年在一次日蝕期間首次測量到光射線被引力彎曲。“通過測量SKA所觀察到的星系形狀的細微變形,我們希望探索暗物質在宇宙時間中發生的結構演變。“來自英國曼徹斯特大學的 Ian Harrison說道。研究人员希望这可提供更多有关暗能量性质與结构如何在宇宙中首次形成的重要线索。

    SKA並非該項任務的唯一實驗——計劃在未來十年進行的一系列實驗將獲得大量的天體物理信息,以補充和檢驗SKA的研究發現。這些實驗包括Euclid WFIRST衛星、8米直徑大型綜合巡天望遠鏡等,均使用可見光和紅外光(而不是無線電波)進行觀測。“使用不同來源(氫射電輻射VS可见星光)和完全不同的数据采集方法,有助于对不确定源进行检查與研究,“来自意大利罗马天文台的Roberto Scaramella說道。 

 

英文原文:https://gitorious.org/radio-fisher/pages/SkaPressRelease

                  http://english.nao.cas.cn/ns/icn/201501/t20150119_135454.html 

 

    

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