宇宙在此处终止?科学家通过哈勃望远镜的镜头,到底发现了什么?

哈勃望远镜是人类在发展天文学、探索宇宙的得力干将,它让人类对宇宙的认识跨入一个崭新的时代。人们试图通过它探索宇宙的边界,探寻未知的可能。

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哈勃望远镜服务人类30多年,它的成就有哪些呢?举个例子,比如——星系的发现

哈勃望远镜发现了一颗迄今为止最遥远的星系,它是什么星系?这个目前为止被发现的最为遥远的星系,是否已经处于宇宙的边界?宇宙是否有边界?哈勃望远镜除了发现过迄今最遥远的星系,还有过哪些惊人的发现?且看本文一一分析。

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宇宙真的在这里划上边界了吗,科学家们从“宇宙之眼”哈勃望远镜的镜头中,到底发现了什么

GN-z11星系

首先来了解一下GN-z11星系,这个星系的代号也许并不能让人一下记住它,GN-z11星系又被称为“婴儿星系”,因为该星系像初生的婴儿一样,处于快速的成长阶段,有什么可以说明GN-z11的成长之快呢?

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GN-z11的造星速度银河系快了20倍,换句话说GN-z11星系中漂泊的恒星可能运动很不规律,而造星过程中的尘埃和气体并不稳定,它们相互碰撞挤压创造出新的恒星,为星系家园添砖加瓦

乍一看,GN-z11星系是一颗异常明亮、距离地球约134亿光年的星系,它位于大熊座之中。GN-z11诞生于宇宙早期,是目前人们通过哈勃望远镜观测到最遥远的星系

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当GN-z11在2016年3月被哈勃望远镜的镜头“俘获”到时,因为它距离地球实在太过遥远,科学家们观察到的只不过是它“婴儿时期”的状态。那时的GN-z11自从宇宙大爆炸迎来4亿岁的生日不久,它还很,质量只有银河系的1%。它又很,在极快的造星运动中,质量已经有太阳的10亿倍。

宇宙大爆炸的时间是距今138亿年前,所以按照常理宇宙中的所有物质不会大于138亿年,但是科学家通过对GN-z11红移值的测算(红移值Z=11.09),目前GN-z11距离地球约320亿光年。为什么会产生比宇宙更久远的星系呢?其实是因为宇宙膨胀

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宇宙的膨胀在不断进行,让很多星系以比光速还快的速度远离我们。宇宙中似乎没有比光速更快的物体运动速度,之所以很多星系能超过光速远离我们,是因为空间也在膨胀。空间的膨胀使看似静止的物体之间的距离也在增大,地球对于宇宙而言相对没有运动,GN-z11星系相对宇宙也没有运动,但是宇宙空间的膨胀让星系远离地球。

而且空间膨胀的速度正在加速,科学家把这种导致空间膨胀速度加快的神秘力量,称为“暗能量”。暗能量将宇宙中越来越多的星系逐渐推离我们,使我们本可以看到的星系,变得越来越少

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我们能观测到宇宙中大约97%的星系,是因为星系处于“宇宙视界”这条线之类。这条宇宙视界的线,线内是我们看得到的星系,线外是我们看不到、可能永远无法抵达的星系。随着空间膨胀的速度加快,越来越多的星系会越过这条线,也许几百万年之后,也许一万亿年之后,我们从地球的星空将看不到那些美丽的星座。

如果GN-z11在空间膨胀中不小心越过了宇宙视界的线,这个迄今为止人类观测到的最遥远星系,可能也要和地球人说再见了吧。那么GN-z11是否已经处于宇宙的“终止线”了?

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不止于GN-z11的宇宙边界

前文也说过,宇宙大爆炸之后宇宙的膨胀就开始了,与此同时还有空间的膨胀。这个膨胀会让宇宙视界的线,变成向宇宙之外推进的线,即使把GN-z11星系作为宇宙视界这条线的参照物,也会因为两者运动速率的差异产生不同的结果。

如果星系的运动慢于宇宙视界线的运动,那它就永远无法突破这个所谓的宇宙边界,成为宇宙内可以稳定被观察到的星系。如果星系的运动快于宇宙视界线的运动,那它就会脱离宇宙边界,成为人类难以被观测、甚至无法被观测到的星系。

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GN-z11是截止2016年3月被发现的距离地球最遥远的星球,如今已经过去6年,这个记录被2022年4月发现的HD1星系打破。也就是说,还有比GN-z11更为遥远的星系的存在,过早地下结论称GN-z11处于宇宙的边界是经不起时间考验的。

衡量星系距离地球唯一可靠的数据是红移值,HD1星系的红移值为Z=13.27,大于GN-z11(Z=11.09)。HD1星系距离地球约135亿光年,也就是说该星系在宇宙大爆炸后3.3亿年就已经出现,根据先来后到,HD1星系确实是GN-z11星系的前辈

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观察HD1星系并非易事,动用了史匹哲太空望远镜(Spitzer Space telescope)日本的昴星团望远镜、可见光和红外巡天望远镜(VISTA)、英国红外望远镜(UK Infrared)4种望远镜总共1200小时的观测,项目团队又利用阿塔卡马大型毫米及次毫米波阵列(ALMA)进行详细的接续观察,终于确定了HD1的距离。

HD1的发现有何意义呢?这表明在宇宙大爆炸仅仅3亿年之后,就有了亮度极高的天体出现。美国哈佛—史密松森天体物理中心的Fabio Pacucci表示,HD1最让人着迷的是它每年产生了相当于太阳质量110倍的恒星,它形成的恒星并非正常恒星,而是一种比正常恒星大很多、热很多原始恒星,这是一种十分罕见的恒星。

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HD1活跃的性质使研究人员连连发出许多猜想:它可能是由一颗本就十分活跃的恒星形成星系,还有可能是一个拥有超大质量的黑洞

总之,研究人员需要更多的观测确定HD1的性质以及它为什么如此明亮,这需要詹姆斯·韦布太空望远镜的支持。目前研究人员已经获得了该望远镜的观测时间,下一步,他们还将观察HD2和HD3这两个天体,它们和HD1一样,距离我们非常遥远

也许在不久的将来,研究人员通过更加先进的望远镜会发现比HD1更遥远的星系,那么对宇宙边界的界定又将重新确立。我们不禁要问,宇宙是否有边界

宇宙何形?有无边界?

宇宙广阔无垠,似乎无边无际,人类对宇宙的观测是有限的,我们只能看到「可观测宇宙」的样子,却无法窥探宇宙的全貌。要想知道宇宙是否有边界,首先需要知道宇宙的形状

有人认为宇宙是一个三维的球体,这样的宇宙被称为“闭合型宇宙”。球体无法找出它的起点和终点,球体可以缩小成一个,也可以膨胀得很大。球体的性质也可以解释宇宙大爆炸的状态。宇宙或许开始只是个原点,后来逐渐膨胀,发生了爆炸,所有的天体、星系都被“笼罩”在巨大的宇宙球体内

还有人认为宇宙像一个甜甜圈的形状。想象一下,如果宇宙飞船在甜甜圈式的宇宙中穿梭,会出现在不同的方向观察到相同的天体,所以宇宙似乎让想要探索宇宙边界的人陷入了无限循环。为了研究这种“甜甜圈”式的循环,科学家用计算机模拟了宇宙微波背景辐射实验,最终得出结论,甜甜圈宇宙在三个维度都是自我封闭的,符合宇宙有边无界的假说。

也有人认为宇宙的形状像双曲面,即马鞍的形状两端向上延伸的姿态用来解释宇宙向外膨胀的运动,这种宇宙又被称为“开宇宙”。剩下一种观点构想得最简单,认为宇宙就是平坦且无限衍生的,这样的宇宙在缓慢而平和地进行膨胀,不会有“大动作”产生,比如凹陷、收缩,也许经过漫长的几百亿上千亿年,缓慢的膨胀过程最终会停止

以上对宇宙形状的想象建立在有根据的模拟上,对于有无宇宙边界的回答我们也许无法做到干净利落的回答。也许宇宙根本没有边缘,即使有,也是人类无法企及的地步,即使是这样的穿梭者,也会迷失方向,更何况是人类呢?

新星系的发现离不开哈勃望远镜,除了发现GN-z11,哈勃望远镜还有哪些惊人的发现呢?

太空之眼:哈勃望远镜

1999年,哈勃望远镜捕捉到了自宇宙大爆炸以来最大规模的伽马射线大爆发。伽马射线可以在几分钟内释放太阳光万亿年总和的能量强度,具有巨大的能量和极强的破坏性。在当年的伽马射线大爆发中,科学家相信大部分的外星生命都死于伽马射线。

哈勃望远镜还曾观察到M87星云中的超质量黑洞喷射的现象

罗切斯特理工学院物理系教授大卫·梅利特对此表示:

对于M87这样巨大的、四处扩散的星云,一旦受到反冲力,超大质量黑洞需要经过数百万年至数十亿年的时间才会停止漫游。

哈勃望远镜自诞生以来已经过去30年,它是人类观察宇宙的眼睛,哈勃望远镜为人类展现宇宙之美,宇宙之奇,帮助我们了解宇宙的本质

探索永无止境

哈勃望远镜也许不是最出色的望远镜,却是最被人熟悉的望远镜。它是人类探索浩瀚宇宙、发展航天事业的得力助手,把人类对宇宙的认知代入崭新的时代

人类对浩瀚宇宙的探索将不止不休,跨越无数个世纪,正如王尔德所说:“我们都生活在沟渠之中,但总有人仰望星空。”

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