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宇宙考古学:用美国宇航局的罗马太空望远镜调查古代星系

2024-09-07科学

恒星晕是星系中一个常见但未被充分研究的特征。这个松散的恒星群比银河系最亮部分的半径大15到20倍,这是我们习惯在望远镜图像中看到的。组成晕的恒星是星系中最古老的一些恒星。我们的邻居仙女座星系是少数几个拥有被充分研究的恒星晕的星系之一,如图所示。仙女座的光晕之所以能被如此彻底地研究,仅仅是因为距离的问题,既足够近又足够亮,我们可以用现有的望远镜看到它的全貌。当南希·格蕾丝·罗马太空望远镜发射时,它将能够利用其广阔的视野全面拍摄更多遥远星系的恒星光晕。来源:NASA, Joseph Olmsted (STScI)

科学家们将研究附近的星系,以揭示星系的形成历史和暗物质。

宇宙似乎是静止的,只有在静止的画面中才能被捕捉到,但事实远非如此。它实际上是不断变化的,只是在人类看不见的时间尺度上。美国国家航空航天局即将发射的罗马太空望远镜将在时间上弥补这一差距,打开通往动态宇宙的道路。

「环」,罗马红外近星系调查,将通过寻找星系形成历史的化石,专门揭示动态宇宙。环还将为科学家提供有关暗物质真实性质的线索,暗物质是构成我们宇宙中大部分质量的神秘物质。

罗曼将于2027年发射升空,准备彻底改变科学家对宇宙的理解,并让他们了解宇宙的真实面貌:变化。

罗马太空望远镜以美国宇航局天文学家南希·格蕾丝·罗曼的名字命名,有望成为一种开创性的天文工具,促进我们对宇宙的理解。图片来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心

美国宇航局的罗马太空望远镜将调查银河系化石

宇宙是一个动态的,不断变化的地方,星系在跳舞,融合在一起,并改变外观。不幸的是,由于这些变化需要数百万或数十亿年的时间,望远镜只能提供快照,压缩到人的一生中。

然而,星系留下了它们的历史以及它们是如何形成的线索。美国宇航局即将发射的南希·格蕾丝·罗马太空望远镜将有能力通过对附近宇宙中星系的高分辨率成像来寻找这些星系形成的化石。

天文学家通过美国国家航空航天局的拨款,正在设计一套可能的观测结果,称为RINGS(罗马红外邻近星系调查),它将收集这些非凡的图像,该团队正在制作公开可用的工具,一旦罗马发射并开始收集数据,天文界就可以使用这些工具。环的调查是一个初步的概念,可能会也可能不会在罗曼的科学任务中实施。

Roman为RINGS做了独特的准备,因为它的分辨率与美国宇航局的哈勃太空望远镜相似,而且它的宽视场是哈勃的200倍,这使它成为一架天空调查望远镜,补充了哈勃的窄视场能力。

银河考古学家

科学家们只能在演化星系的生命中看到短暂的例子,这些星系最终形成了今天我们周围完全形成的星系。因此,星系的形成很难追踪。

幸运的是,星系在它们的恒星结构中留下了它们进化的线索,就像地球上的生物在岩石上留下印记一样。这些星系「化石」是一群古老的恒星,它们保存着星系形成和演化的历史,包括这些恒星形成时星系的化学成分。

费城宾夕法尼亚大学RINGS项目的副首席研究员罗宾·桑德森对这种宇宙化石特别感兴趣。她将分析星系中恒星结构的过程描述为「就像进行一次挖掘,试图将骨头分类并重新组合在一起」。

罗曼的高分辨率将使科学家们能够利用从星系外围的长潮汐尾到星系内的恒星流的结构来挑选出这些星系化石。这些大规模的结构,罗曼是唯一有能力捕捉的,可以为星系的合并历史提供线索。桑德森说,我们的目标是「重新组装这些化石,以便回顾过去,了解这些星系是如何形成的。」

探索暗物质的奥秘

环还将进一步研究宇宙中最神秘的物质之一:暗物质,一种无形的物质形式,构成了星系的大部分质量。对于检验暗物质理论来说,一类特别有用的天体是超暗矮星系。根据加州大学圣克鲁兹分校的Raja GuhaThakurta的说法,「超微弱的矮星系是由暗物质主导的,它们几乎没有形成恒星的正常物质。由于创造的恒星如此之少,超微弱的星系基本上可以被视为纯粹的暗物质团来研究。」

罗曼望远镜由于其大视野和高分辨率,将观测到这些超微弱的星系,以帮助测试暗物质的多种理论。有了这些新数据,天文学界将更接近于发现这种不可观测的暗物质的真相,它远远超过了可见物质:暗物质占宇宙物质的80%,而正常物质占剩下的20%。

扩大银河系研究的范围

超暗星系远不是对暗物质的唯一测试。通常,只要观察一个中等大小星系的后院就足够了。星系周围恒星光晕的结构通常会提示暗物质的数量。然而,由于星系晕的绝对大小(它们通常是星系本身的15-20倍),目前的望远镜在观测它们时效率非常低。

目前,科学家们唯一能完全解决的星系晕是我们的银河系和仙女座星系,我们的邻居星系。西雅图华盛顿大学RINGS项目的首席研究员本·威廉姆斯(Ben Williams)描述了罗曼的能力将如何修正这个问题:「我们只有对银河系和仙女座星系的可靠测量,因为它们离我们足够近,我们可以测量分布在它们的恒星晕中的大量恒星。所以,有了罗曼,突然之间我们就有了100个或更多的完全分解的星系。」

当罗马号于2027年5月发射时,它有望从根本上改变科学家对星系的理解。在这个过程中,它将为我们的银河系提供一些启示。银河系很容易近距离研究,但我们没有足够大的自拍杆来拍摄整个银河系及其周围的光晕。RINGS展示了如果这样的调查得到批准,Roman的能力。通过研究附近的宇宙,环可以检查大小和年龄与银河系相似的星系,并阐明我们是如何来到这里的。

关于南希·格蕾丝·罗马太空望远镜

罗马太空望远镜的命名是为了纪念南希·格蕾丝·罗曼,这位经常被誉为哈勃之母的先锋女性,它代表了天文探索的下一个飞跃。它的设计在规模和能力上都超越了它的前辈,具有广阔的视野和先进的红外传感器,可以研究宇宙的物理,追踪星系的形成,并窥探宇宙现象的结构。Roman将在未来十年发射,它将重新定义我们对宇宙的理解。