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宇宙考古學:用美國太空總署的羅馬太空望遠鏡調查古代星系

2024-09-07科學

恒星暈是星系中一個常見但未被充分研究的特征。這個松散的恒星群比銀河系最亮部份的半徑大15到20倍,這是我們習慣在望遠鏡影像中看到的。組成暈的恒星是星系中最古老的一些恒星。我們的鄰居仙女座星系是少數幾個擁有被充分研究的恒星暈的星系之一,如圖所示。仙女座的光暈之所以能被如此徹底地研究,僅僅是因為距離的問題,既足夠近又足夠亮,我們可以用現有的望遠鏡看到它的全貌。當南茜·桂絲·羅馬太空望遠鏡發射時,它將能夠利用其廣闊的視野全面拍攝更多遙遠星系的恒星光暈。來源:NASA, Joseph Olmsted (STScI)

科學家們將研究附近的星系,以揭示星系的形成歷史和暗物質。

宇宙似乎是靜止的,只有在靜止的畫面中才能被捕捉到,但事實遠非如此。它實際上是不斷變化的,只是在人類看不見的時間尺度上。美國太空總署即將發射的羅馬太空望遠鏡將在時間上彌補這一差距,開啟通往動態宇宙的道路。

「環」,羅馬紅外近星系調查,將透過尋找星系形成歷史的化石,專門揭示動態宇宙。環還將為科學家提供有關暗物質真實性質的線索,暗物質是構成我們宇宙中大部份質素的神秘物質。

羅曼將於2027年發射升空,準備徹底改變科學家對宇宙的理解,並讓他們了解宇宙的真實面貌:變化。

羅馬太空望遠鏡以美國太空總署天文學家南茜·桂絲·羅曼的名字命名,有望成為一種開創性的天文工具,促進我們對宇宙的理解。圖片來源:美國太空總署戈達德太空飛行中心

美國太空總署的羅馬太空望遠鏡將調查銀河系化石

宇宙是一個動態的,不斷變化的地方,星系在跳舞,融合在一起,並改變外觀。不幸的是,由於這些變化需要數百萬或數十億年的時間,望遠鏡只能提供快照,壓縮到人的一生中。

然而,星系留下了它們的歷史以及它們是如何形成的線索。美國太空總署即將發射的南茜·桂絲·羅馬太空望遠鏡將有能力透過對附近宇宙中星系的高分辨率成像來尋找這些星系形成的化石。

天文學家透過美國太空總署的撥款,正在設計一套可能的觀測結果,稱為RINGS(羅馬紅外鄰近星系調查),它將收集這些非凡的影像,該團隊正在制作公開可用的工具,一旦羅馬發射並開始收集數據,天文界就可以使用這些工具。環的調查是一個初步的概念,可能會也可能不會在羅曼的科學任務中實施。

Roman為RINGS做了獨特的準備,因為它的分辨率與美國太空總署的哈伯太空望遠鏡相似,而且它的寬視場是哈伯的200倍,這使它成為一架天空調查望遠鏡,補充了哈伯的窄視場能力。

銀河考古學家

科學家們只能在演化星系的生命中看到短暫的例子,這些星系最終形成了今天我們周圍完全形成的星系。因此,星系的形成很難追蹤。

幸運的是,星系在它們的恒星結構中留下了它們前進演化的線索,就像地球上的生物在巖石上留下銘印一樣。這些星系「化石」是一群古老的恒星,它們保存著星系形成和演化的歷史,包括這些恒星形成時星系的化學成分。

費城賓夕法尼亞大學RINGS專案的副首席研究員羅賓·桑德森對這種宇宙化石特別感興趣。她將分析星系中恒星結構的過程描述為「就像進行一次挖掘,試圖將骨頭分類並重新組合在一起」。

羅曼的高分辨率將使科學家們能夠利用從星系外圍的長潮汐尾到星系內的恒星流的結構來挑選出這些星系化石。這些大規模的結構,羅曼是唯一有能力捕捉的,可以為星系的合並歷史提供線索。桑德森說,我們的目標是「重新組裝這些化石,以便回顧過去,了解這些星系是如何形成的。」

探索暗物質的奧秘

環還將進一步研究宇宙中最神秘的物質之一:暗物質,一種無形的物質形式,構成了星系的大部份質素。對於檢驗暗物質理論來說,一類特別有用的天體是超暗矮星系。根據加州大學聖克魯茲分校的Raja GuhaThakurta的說法,「超微弱的矮星系是由暗物質主導的,它們幾乎沒有形成恒星的正常物質。由於創造的恒星如此之少,超微弱的星系基本上可以被視為純粹的暗物質團來研究。」

羅曼望遠鏡由於其大視野和高分辨率,將觀測到這些超微弱的星系,以幫助測試暗物質的多種理論。有了這些新數據,天文學界將更接近於發現這種不可觀測的暗物質的真相,它遠遠超過了可見物質:暗物質占宇宙物質的80%,而正常物質占剩下的20%。

擴大銀河系研究的範圍

超暗星系遠不是對暗物質的唯一測試。通常,只要觀察一個中等大小星系的後院就足夠了。星系周圍恒星光暈的結構通常會提示暗物質的數量。然而,由於星系暈的絕對大小(它們通常是星系本身的15-20倍),目前的望遠鏡在觀測它們時效率非常低。

目前,科學家們唯一能完全解決的星系暈是我們的銀河系和仙女座星系,我們的鄰居星系。西雅圖華盛頓大學RINGS專案的首席研究員賓·威廉士(Ben Williams)描述了羅曼的能力將如何修正這個問題:「我們只有對銀河系和仙女座星系的可靠測量,因為它們離我們足夠近,我們可以測量分布在它們的恒星暈中的大量恒星。所以,有了羅曼,突然之間我們就有了100個或更多的完全分解的星系。」

當羅馬號於2027年5月發射時,它有望從根本上改變科學家對星系的理解。在這個過程中,它將為我們的銀河系提供一些啟示。銀河系很容易近距離研究,但我們沒有足夠大的自拍桿來拍攝整個銀河系及其周圍的光暈。RINGS展示了如果這樣的調查得到批準,Roman的能力。透過研究附近的宇宙,環可以檢查大小和年齡與銀河系相似的星系,並闡明我們是如何來到這裏的。

關於南茜·桂絲·羅馬太空望遠鏡

羅馬太空望遠鏡的命名是為了紀念南茜·桂絲·羅曼,這位經常被譽為哈伯之母的先鋒女性,它代表了天文探索的下一個飛躍。它的設計在規模和能力上都超越了它的前輩,具有廣闊的視野和先進的紅外傳感器,可以研究宇宙的物理,追蹤星系的形成,並窺探宇宙現象的結構。Roman將在未來十年發射,它將重新定義我們對宇宙的理解。