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中国科学家宇宙考古发现大反常!找到127亿年前的巨大原初星系团

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发表于 2018-10-16 14:29 | 显示全部楼层 |阅读模式
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本帖最后由 zhangms 于 2018-10-16 14:32 编辑

中国科学家宇宙考古发现大反常!
找到127亿年前的巨大原初星系团,《自然—天文》发表论文

作者:倪思洁 来源:科学网www.sciencenet.cn 发布时间:2018/10/16
http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2018/10/418689.shtm


在到达地球之前,这束光走了127亿年。漫长的跋涉,加上宇宙的膨胀拉伸,让它的能量微弱而暗淡。

同一时间,地球,智利拉斯坎帕纳斯天文台。麦哲伦天文望远镜卖力地进行星系光谱巡天。科学家们正在借助这台设备,建立一个高红移星系数据库,以期解开宇宙演化形成之谜。

偶然的一瞬,这束微弱的光与望远镜光谱仪上的探测器相遇了。一个明显而确定的峰值出现在北京大学天文学家江林华的面前。

江林华及其所在的北大科维理研究所团队研究发现,这束光来自一个巨大原初星系团,它最终会演化成一个约3600万亿倍太阳质量的星系团。北京时间2018年10月15日晚上11点,这一发现在线发表于《自然—天文》杂志。

2018101522558131.jpg
        艺术想象图:127亿光年外的巨型原初星系团

追寻宇宙“幼升小”时的模样


江林华的工作有点类似于“宇宙考古”——寻找宇宙中最遥远的星系,探索宇宙“小时候”的模样。

和所有生物一样,宇宙也曾是个“宝宝”。一直以来,科学家认为,宇宙是在大约137亿年前由一次大爆炸形成的。

大爆炸之初,婴儿期的宇宙处于极高温、极高压状态,只有光子、质子、中子等基本粒子。之后,宇宙慢慢冷却,花了几十万年时间形成了原子等基本物质结构。那时候的宇宙一片黑暗,没有太阳,没有星星。

如果说今天的宇宙是个百岁老人,那么,宇宙在大概7岁左右,也就是在“幼升小”的年纪时,出现了一次重大变化——在引力作用下,宇宙大尺度结构开始形成,最原始的恒星、星系、黑洞出现,宇宙被点亮了。

江林华感兴趣的问题之一,正是宇宙是怎么完成“幼升小”的,包括“宇宙中第一批天体如何出现”“最原始的宇宙大尺度结构是怎么形成的”“宇宙从黑暗到明亮的过渡是何时完成的”……

这些问题的答案,目前尚无定论。之所以会如此,是因为观测数据有限,统计口径不一。想解决这些问题,就要依赖高探测能力的天文望远镜,在如今明亮的宇宙中“淘”出更多百亿年前留下的、已远超人眼可观察能力范围的微弱光芒。

2014年9月,江林华带着在美国求学时积累的观测经验和合作资源,回到了北京大学。第二年,他就和北大的科研团队一起,借助科技部重点研发项目和国家自然科学基金委等项目的资助,依托位于智利的麦哲伦天文望远镜,开始了组建星系样本库的征途。

按照江林华的预期,这个样本库将为研究宇宙“幼升小”的历史提供数据支撑。样本库中的星系不仅都来自于宇宙“幼升小”年代的星系候选体,而且还要经过光谱确证,测出距离地球的精确距离。

偶遇一束从远古走来的光

2017年的一天,麦哲伦天文望远镜的探测器对准了一块不算大(大约四平方度,近似于5个满月大小)的天区,然后把“视线”向更深处望去,为的是从目前星系团候选体中筛选出确定者,并确定它们的位置。

之后,数据分析人员意外地发现,光谱图在红移5.7的位置上出现了一个不在计划中的峰值。

“红移”是天文学家们用来判断光“跋涉”了多远的工具。


一般来说,光刚被发射出来时,具有较高的能量,经历了漫长的传递和宇宙空间拉伸后,能量降低。而光谱仪可以分辨出光的能量,并判断光从刚发出至今的时间和距离。红移越高,就说明光源距离地球越远。

盯着这个峰值,江林华本能地想要看一看这束红移5.7的光来自何方神圣。

“红移5.7”正好对应着距今127亿年前,那时候的宇宙距离大爆炸的时间大约在10亿年,宇宙处在“幼升小”的年纪。“这么巧!”江林华心里感叹。

之后的研究结果,让他们更为惊叹——这束光来自一个巨大的原初星系团,或者说星系团的巨大前身。


通过天体物理学理论分析和计算机数值模拟,科研团队发现,这个巨大的原初星系团最终会“百分之百地”“不可避免地”发展成一个约3600万亿倍太阳质量的星系团。


宇宙早期已知的最大质量原初星系团

这可能是宇宙早期已知的最大质量的原初星系团,但同时,这也是一个反常。“它就像一座一线城市,星系密度很高,是同一时期其它区域星系密度的近7倍。”江林华说,目前尚未发现在宇宙早期会有如此大尺度和高密度的结构。

按照标准宇宙模型的预言,宇宙中大尺度结构的形成类似于滚雪球,小的结构通过合并,形成更大的结构。也就是说,最大的结构往往形成于宇宙演化的后期,如此大的原初星系团在宇宙少年时代不太可能存在。

可是,新发现的这个巨型原初星系团却出现在宇宙“幼升小”的年纪。“这表明宇宙很早就有了大尺度的结构。”江林华说。

这样的反常,曾经引起过论文评审人的担忧。4月16日,《自然—天文》杂志收到论文后,组织了三位评审人对文章进行评审。

三个月后,杂志副主编Marios Karouzos在向江林华反馈审稿意见时说:“三位评审人对您提供的数据和分析印象深刻,但他们也对结论的力度提出了一些担忧。”

其中一名评审人说:“这些发现很有趣,但需要更为强有力的分析陈述。”

在评审专家的建议下,科研人员对论文研究方法、图表等的陈述修改完善,最终得到评审专家的认可,论文在9月4日被正式接收。

江林华表示,他的科研团队还将采用多波段观测手段,进一步研究这个原初星系团的内部结构,同时,他们也期待着望远镜技术和数值模拟技术水平再上一个台阶,以帮助他们通过更大规模的巡天,找到更多与此次类似的原初星系团,完善人类对宇宙结构形成的认知。


论文相关信息:
DOI:10.1038/s41550-018-0587-9


 楼主| 发表于 2018-10-19 12:13 | 显示全部楼层
本帖最后由 zhangms 于 2018-10-20 08:08 编辑

祝贺...                           
 楼主| 发表于 2018-10-20 08:11 | 显示全部楼层
按照宇宙大爆炸理论,宇宙在极早期(普朗克时间)时温度极高,对应着普朗克温度和普朗克尺度。随着宇宙膨胀(绝热),温度不断降低,宇宙在不同时刻对应着不同的温度,这样,温度和时间就作为探索大爆炸后宇宙演化的探针。在10^-35秒时,为暴涨时期,宇宙温度约10^27度,夸克、玻色子、轻子形成。大爆炸后10^-12秒时,宇宙温度约10^15度,粒子期,质子和中子及其反粒子形成,玻色子、中微子、电子、夸克以及胶子稳定下来。当宇宙大爆炸到0.1秒时,温度下降到1000亿度,到1秒时,温度下降到100亿度。到3分钟时,进入核合成时代,质子和中子结合,形成简单的原子核结构,主要是形成了大量的氢、中等量的氦及少量的锂。到30~40万年时,进入复合时代,光子脱耦,中性原子形成。原本如亲兄弟般的电子和光子是捆绑在一起的,形影不离,随着电子能量降低,电子被原子核捕获形成中性原子,脱耦后光子可在宇宙中自由穿行,从此宇宙黑暗时代宣告结束,变得透明了。此时,宇宙中充满了大量粒子、原子,但分子还未形成,物质还未出现。随着宇宙膨胀冷却,到1亿年后,原子能量降低组成了分子,宇宙中充满了大量氢分子云。分子云经历了漫长的凝聚收缩,到10亿年后,由氢构成的第一代恒星形成了,至此,星系和星系团也开始形成。
发表于 2018-10-23 21:02 | 显示全部楼层
学习贴纸,多看看
发表于 2019-1-11 19:11 | 显示全部楼层
本帖最后由 yu0315 于 2019-1-11 19:15 编辑

请问一个问题:
现在认为宇宙年龄是137亿年。依据是,能看到的最远天体是137亿光年。
为什么137亿光年,一个距离的指标,成了时间的指标?


据我的简单脑瓜,我们现在看到的最远天体的光线,是137亿年前发出来的。137亿年前它就在那了。
那么,从爆炸原点跑到那个位置,需要多少时间呢?这个时间再加上137亿年,才是宇宙年龄吧?

点评

这个年龄并不是如你所说,由能看到的最远天体是137亿光年而给出的,实际上我们至今还没观测到距离137亿光年的星系。。而是理论上由哈勃定律即通过宇宙的膨胀速度反推出宇宙大爆炸的时间,从而得出宇宙的年龄。要想得  详情 回复 发表于 2019-1-11 23:59
 楼主| 发表于 2019-1-11 23:59 | 显示全部楼层
yu0315 发表于 2019-1-11 19:11
请问一个问题:
现在认为宇宙年龄是137亿年。依据是,能看到的最远天体是137亿光年。
为什么137亿光年, ...

这个年龄并不是如你所说,由能看到的最远天体是137亿光年而给出的,实际上我们至今还没观测到距离137亿光年的星系。。而是理论上由哈勃定律即通过宇宙的膨胀速度反推出宇宙大爆炸的时间,从而得出宇宙的年龄。要想得到宇宙的精确年龄,对哈勃常数的精确测定是非常重要的,哈勃常数的倒数标识了宇宙的年龄,这个年龄称为哈勃年龄。而哈勃常数测定的关键在于,必须利用与红移无关的方法,精确测量出一批近距星系的距离。例如利用造父变星、Ia型超新星方法等。现在综合哈勃望远镜、WMAP卫星、普朗克卫星的观测数据,精确给定了宇宙的年龄。利用一些典型的天体,如球状星团、白矮星的冷却、银河系内的贫金属星也可以初步估算宇宙的年龄,这样得到的是宇宙年龄的下限,通常由标准宇宙学模型给出的哈勃年龄是宇宙年龄的上限,可以作为宇宙年龄的某种度量。

奇点不是一个空间上的点,宇宙大爆炸不是从一个点开始的。

奇点首先是一个数学概念,它代表一个数学对象无法处理的点。比如,在这个点上的值,数学上没有定义。像函数f(x)=1/x,在点x=0处,它的值是无穷大,而无穷大在数学上是描述函数变化的一种性态,不是一个有定义的值,所以x=0就是函数f(x)=1/x的奇点。认为宇宙是从一个无限小的点爆炸而来的观点,是对奇点这个概念的误解所致。大爆炸理论中的奇点是什么呢?由于宇宙膨胀,距离我们越远的星系,离开我们的速度越快。用广义相对论让时间回放,不难得出,在有限的时间(137亿年)以前,宇宙处于一个密度和温度都极高的状态。在这种状态下,所有已知的物理定律都失效了,所以,人们就把这个状态叫做大爆炸的奇点。

假设我们观测到一个距离120亿光年的星系,它的光确是在120亿年前发出来的,那时它就在那。其实在很早时,它距离我们并没有120亿光年远,而是比这个距离要近些。由于宇宙膨胀,星系之间彼此在远离,越远离开的速度越快,这样那个星系离开我们就越来越远了,它光传播到我这里就要多花上一些时间了,它的位置已早就不在那了。

你说的原点应该是指的奇点了,它不是一个空间上的点,所以,从原点跑到那个位置这么说也就没意义了。

点评

还有一个问题。太阳的年龄是60亿年,而且可能还有60亿年的寿命,一共是120亿年。 这一个恒星系的寿命就堪比宇宙的寿命,有点不可思议。  详情 回复 发表于 2019-1-12 18:57
谢谢解答,我再看看(星星和宇宙谁年龄大)这本书。  详情 回复 发表于 2019-1-12 18:52
发表于 2019-1-12 18:52 | 显示全部楼层
zhangms 发表于 2019-1-11 23:59
这个年龄并不是如你所说,由能看到的最远天体是137亿光年而给出的,实际上我们至今还没观测到距离137亿光 ...

谢谢解答,我再看看(星星和宇宙谁年龄大)这本书。

点评

有些东西,即使查资料或其它什么的,也是得不到答案的。比如你问的 , “...,我们现在看到的最远天体的光线,是137亿年前发出来的。137亿年前它就在那了。” 很多只能靠自己去理解。  详情 回复 发表于 2019-1-13 08:06
是的,你也可以看看其它资料。希望我的解答能对你有所帮助。  详情 回复 发表于 2019-1-12 21:02
发表于 2019-1-12 18:57 | 显示全部楼层
本帖最后由 yu0315 于 2019-1-12 19:00 编辑
zhangms 发表于 2019-1-11 23:59
这个年龄并不是如你所说,由能看到的最远天体是137亿光年而给出的,实际上我们至今还没观测到距离137亿光 ...

还有一个问题。太阳的年龄是60亿年,而且可能还有60亿年的寿命,一共是120亿年。
这一个恒星系的寿命就堪比宇宙的年龄,有点不可思议。还有银河系的年龄呢?
我认为宇宙的年龄怎么也得是星星的几个数量级的倍数。

点评

几个数量级,这也太悬殊了,事实当然不是这样。 看看极端星族II中的恒星年龄都快接近宇宙年龄了。 [attachimg]184941[/attachimg]  详情 回复 发表于 2019-1-12 22:24
 楼主| 发表于 2019-1-12 21:02 | 显示全部楼层
yu0315 发表于 2019-1-12 18:52
谢谢解答,我再看看(星星和宇宙谁年龄大)这本书。

是的,你也可以看看其它资料。希望我的解答能对你有所帮助。

 楼主| 发表于 2019-1-12 22:07 | 显示全部楼层
保守点说,太阳寿命大约是100亿岁,往大点说,是120亿岁。太阳现在约是45亿岁,正处于稳定状态的中年期。根据太阳中心附近氢的含量及太阳每秒钟燃烧多少氢,就可推算太阳的寿命,同样也适用于其它主序星。太阳外围及中介区域的氢是到不了核心处的,不参与核聚变反应,对太阳的寿命不产生影响。恒星一身中80%-90%的时间是停留在主序星阶段,即氢燃烧阶段,过后进入红巨星或红超巨星阶段,这个过程会大大加快,停留的时间较短,一般就是几千万年到几亿年,然后走向衰亡。依据恒星质量分布方程,可求得,在太阳核心向外四分之一半径处,集中了一半的质量。尽管太阳外围及中介区域的氢到不了核心处,但在它中心附近处已经集中了一半质量的氢,这足以让太阳燃烧100亿年。

通过对地球上岩石中U235和U238放射性衰变分析,得出地球的年龄是45亿岁。并求得U235/U238的比值,这个比值对于地球、月球上的岩石采样以及天外飞来的陨石采样都是一样的,这说明太阳系天体由共同形成的时刻。地球45亿岁的年龄,也被认为是太阳系的年龄。

不过,46亿年只代表太阳系中岩石的年龄,并不是铀等重元素本身的年龄,因为太阳系不会自发产生这些重元素。由此推测,在太阳系诞生之前,在其将形成的位置附近,必定至少发生过一次超新星爆发,使得该出的星际气体中含有了重元素,这些气体后来就形成了太阳系。地球上开采出来的铀,就是那时超新星爆发的产物,它们的年龄肯定比太阳系的年龄要大。现在认为,形成太阳系中重元素的那些超新星爆发,大约是在距今50亿到100亿年前发生的,而且其中至少有一次发生在太阳系诞生前的1亿-2亿年前。这样看来,我们银河系的年龄至少有100亿年之久。

 楼主| 发表于 2019-1-12 22:09 | 显示全部楼层
10楼是答复8楼的。
 楼主| 发表于 2019-1-12 22:24 | 显示全部楼层
yu0315 发表于 2019-1-12 18:57
还有一个问题。太阳的年龄是60亿年,而且可能还有60亿年的寿命,一共是120亿年。
这一个恒星系的寿命就 ...

几个数量级,这也太悬殊了,事实当然不是这样。

看看极端星族II中的恒星年龄都快接近宇宙年龄了。


220411hz333cqma5h7c3z5.jpg.thumb.jpg

点评

就是这个感觉很不可思议。星星的年龄竟然和宇宙年龄差不多。  详情 回复 发表于 2019-1-22 18:54
多谢解答,我再学习下。  详情 回复 发表于 2019-1-13 16:07

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