繪制宇宙地圖

苗千

一個由各國天文學家組成的“貝塞爾巡天”項目小組正在嘗試繪制出銀河系另一面的地圖。2017年10月13日，他們在《科學》雜志上發表了最新研究成果。

即使你是英國科幻小說作家道格拉斯·亞當斯的書迷，把他的名作《銀河系搭車指南》奉為圣經，恐怕也不敢說自己已經對銀河系了如指掌。畢竟幻想歸幻想，人類不僅還沒有能力暢游銀河系，對于自己所居住的星系的具體形態都知之甚少，這與我們所處的位置有關。在銀河系的內部，很難看到星系的全景。人類想要為銀河系繪制一份盡可能精確的地圖，面臨著很多實際困難。

我們的太陽系本身就屬于銀河系的一部分。我們身處銀河系之中，卻可以在夜空中清晰地見到銀河的形狀——從我們的角度看來，銀河系呈現出一條明亮的帶子形狀。在歷史上人們曾經把銀河系比喻為一條河流或是牛奶，但實際上如果我們換一個角度，從銀河系的頂端俯視這個扁平圓盤狀的星系，就能夠看出它是一個宇宙中最常見的具有旋臂的“螺旋星系”——宇宙中大約有三分之二的星系都屬于螺旋星系。在銀河系的核心區域又有一個由恒星組成的短棒區域，具有這種結構的星系又叫作棒旋星系（barred spiral galaxy）。從短棒的兩端伸展出兩條銀河系的主要旋臂，除此之外還有兩條較小的旋臂，太陽系就處在兩條主要旋臂人馬臂（Sagittarius）和英仙臂（Perseus arms）之間的一個本地分支，名為“獵戶臂”（Orion Spur）的小旋臂內側邊緣。

想要充分了解這個含有大約2000億顆恒星、直達到10萬光年的銀河系，對于人類來說絕非易事，因為人類無法從銀河系的一條旋臂上，透過星系的中心看到另外一側的旋臂。在理論上，想要看到銀河系的另一側，就必須穿過銀河系的中心區域，而在銀河系的中心聚集著大量的恒星、氣體和灰塵，這些物質都會阻止光線的傳播，更不用提在中心還有一個超巨型黑洞。

但是有科學家發現，在可見光的頻率區域之外，人類有可能通過相對來說波長較長的電磁波接收到來自銀河系另一側的信號，甚至有可能以此繪制出一幅銀河系的完整地圖。一個由各國天文學家組成的“貝塞爾巡天”（Bar and Spiral Structure Legacy Survey）項目小組正在嘗試著利用這種方式繪制出銀河系另一面的地圖。從2010年到2015年，該研究小組在美國各地的天文臺，大約花費了3500個小時來追蹤來自銀河系另一端的信號。2017年10月13日，他們在《科學》（Science）雜志上發表論文《繪制銀河系遠側的螺旋結構地圖》（Mapping spiral structure on the far side of the Milky Way），報告了他們的研究結果。

在銀河系中雖然已經存在大約2000億顆左右的恒星，而且其中大多數恒星的年齡都高過太陽，實際上在星系內部仍然有足夠的材料制造出新的恒星。在星系的旋臂內部，氣體、灰塵等各種物質相互阻塞碰撞，這正是誕生出新的恒星的好場所。根據估算，銀河系內部的物質仍然足以形成數十億顆新的恒星。

在銀河系的另一側，一些區域正在誕生著新的恒星。一些高溫水蒸氣就聚集在這些區域中，它們可以發射出強烈的電磁波，而這些電磁波可以穿透銀河系中心區域的灰塵與氣體到達地球。貝塞爾巡天項目的科學家們正是通過測定這些66000光年之外，來自銀河系另一側的電磁波的位置，試圖了解星系那一邊的狀況。通過對各種不同信號位置的推算，確認這些信號來自銀河系的主要旋臂之一：盾牌-半人馬臂（Scutum-Centaurus Arm）。至今為止，科學家們已經收集了大約150個水蒸氣聚集區域的信號，如同“標記在海岸線邊分布的燈塔”一樣，通過這種方式，一步步勾勒出銀河系另一側旋臂的形狀。

盡管有些從事這項工作的科學家純粹是覺得自己所做的工作非常有趣，但實際上他們正在繪制的，是對于人類來說銀河系中最為陌生和邊遠區域的地圖。

人類從20世紀50年代開始就通過銀河系中明亮的氫氣團定位，繪制了銀河系地圖，此后地圖的精度不斷提高，銀河系的形象開始變得清晰，整個星系的四旋臂模型也才逐漸成形。目前除了貝塞爾巡天項目之外，還有其他幾個探測銀河系結構的項目也在進行之中。到2018年4月，歐洲空間局花費20億英鎊巨資發射的重達2噸的空間望遠鏡——蓋亞探測器（Gaia Probe），也將完成它為期五年的探測任務。自從2013年12月發射升空以來，蓋亞探測器在可見光范圍內對銀河系內1%的恒星進行探測，已經多次發回含有銀河系內總數超過10億個天體的數據，等到2018年它的任務正式完成，科學家們也將以前所未有的精度繪制出包含有銀河系內超過10億個天體的三維地圖，這個地圖也將勾勒出銀河系各個懸臂的形狀。

為宇宙中的滄海一粟銀河系繪制地圖尚且如此困難，人類想為整個宇宙繪制出一幅地圖在現在看來就更顯得不合實際了。人類是在最近幾十年才明白，宇宙中我們所能“看到”的部分僅僅占有宇宙中物質總量的極小一部分。目前科學家們大約可以計算出，在宇宙大爆炸發生后的20分鐘之內，總共大約產生出多少氫元素和氦元素，這個數字也與人們對于宇宙微波背景輻射的研究相吻合——這說明宇宙主要是由70%的暗能量、23%的暗物質和大約4.3%由重子構成的常規物質組成。

目前對于暗能量和暗物質的研究都是宇宙學中最重要的課題，但問題還不止于此。即使是對于最易于探測的常規物質，目前科學家們也不知道它們究竟都分布在宇宙中的什么地方。例如最容易被發現的恒星和星系，大約只占到宇宙中常規物質總質量的10%左右，即使算上其他各種因素，宇宙中仍然有大約一半的原子不知去處。

想要尋找到這些失蹤的原子，就需要同時從理論和實驗方面入手。科學家們在電腦上運行一個被稱為“標準宇宙模型”（Standard model of Cosmology）的關于宇宙如何誕生和生長的電腦程序。電腦模擬顯示，在宇宙的生長過程中，暗物質逐漸聚集凝結，慢慢形成了一個由節點和連線構成的籠罩了整個宇宙的“網絡”，而眾多可見的星系，因為引力的作用，也就鑲嵌在這個宇宙網（cosmic web）之中。關于那些失蹤的常規物質，或許也可以此為線索找到蹤跡。endprint

科學家們根據電腦模擬的結果推測，那些目前人類無法找到的常規物質，大多是以塵埃的形式游蕩在各個星系之間，稱其為“溫熱星際間物質”（warm-hot intergalactic matter）。這些物質可能溫度極高，可以散發出強烈的X射線，但是因為分布單薄，又很難被發現。

愛丁堡大學一組研究人員通過一種全新的方法找到了這些星際間不易被發現的常規物質。在宇宙膨脹的過程中，宇宙微波背景輻射的波長被拉伸，能量因此減小，目前彌漫在宇宙中記錄宇宙大爆炸的微波背景輻射平均只高于絕對零度2.75度。但是當這些微波背景輻射的光子與星系間的電子相撞，這些光子可能會從中獲得極其微小的能量，從而使其波長變短（光子所具有的能量與其波長成反比），這種現象被稱為蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應（Sunyaev-Zel'dovich effect）。研究人員正是試著利用這種現象來找到那些失蹤的星際間物質。

蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應極其微弱，光子與電子相撞，其波長也只會縮短千萬分之一。為了使這種效果被放大，在宇宙中清晰可見，研究者們通過斯隆數字巡天（Sloan Digital Sky Survey）項目，在宇宙中找到了100萬對彼此距離相近的星系，再把它們的照片重疊在一起，就可以清晰地發現蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應所造成的結果。通過這種方式，研究者們發現，在宇宙網絡中連線區域的星際物質比宇宙中的平均物質密度高出了六倍，這些物質的質量占到了此前失蹤的常規物質總質量的30%左右。

雖然還沒有找到失蹤的全部普通物質，這樣的結果依然令人感到鼓舞。愛丁堡大學的這幾位研究者在2017年10月5日把報告這項研究成果的論文《通過蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應揭示宇宙網絡中失蹤的重子》（Missing baryons in the cosmic web revealed by the Sunyaev-Zel'dovich effect）預印本率先發表在了網絡上。然而科羅拉多大學的天文學家邁克爾·沙爾（J. Michael Shull）認為這些研究者們做的一些假設可能過于簡單，他們認為這些物質恰好分布在星系間人們可以看到的位置，這未免過于巧合。想要獲得這些物質真正的分布地圖，可能還需要利用更先進的X射線望遠鏡對宇宙進行觀測，建立一個更準確的三維模型。

人類真正認識到所謂的“宇宙網絡”也才只有10年左右的時間，宇宙學家們可能容易通過理論或是電腦模擬來得出宇宙網絡的圖像，但是在宇宙中極大尺度的分布上，普通物質是否受到暗物質的影響，總體的分布是否呈現出網絡結構，這并不容易發現。想要真正在宇宙觀測中發現這種結構，就需要利用宇宙中的探照燈——在星系中心區域的類星體（quasar）——的光芒來尋找。類星體的能量來自于星系中心的超大黑洞，一個大的類星體每天可能都會吸入好幾顆恒星，這樣的天體會將一部分能量以高能粒子流的形式釋放出來，其能量可能相當于一萬億個太陽，其亮度可能持續數百萬年之久。

一些類星體憑借其自身強大的能量，不僅可以點亮整個星系內部的氣體，甚至也可以照亮在星系周圍的氣體，讓人們有可能真正了解在星系周圍物質的分布情況。直到2014年，幾位來自加州大學圣克魯茲分校、加州大學天文臺和馬克思-普朗克天文研究所的科學家才首次合作在《自然》（Nature）雜志發表論文，題為《通過一個明亮的高紅移類星體附近Lyman-a揭示宇宙網絡連線》（A cosmic web filament revealed in Lyman-a emission around a luminous high-redshift quasar），報告了他們的研究成果。

一個距離地球約100億光年的遙遠的類星體所發出的光線，在到達地球的過程中因為宇宙膨脹的因素頻率發生了很大變化。為了研究這個照亮了整個星系的類星體的光線，這些研究者為坐落在夏威夷的10米口徑的凱克望遠鏡設計了一個特殊的濾波器，讓其只能探測到光線波長的變化。通過研究這些來自100億光年之外的光線，科學家們發現，這些氣體沿著星系間宇宙網絡的連線一直蔓延出200萬光年的距離，這是人類第一次通過宇宙觀測了解到宇宙網絡的構成情況。在2016年，視覺研究者和信息設計師金·阿爾布萊希特（Kim Albrecht）設計了一款具有三維可視化效果的宇宙網絡模型，在這個三維模型里，用戶可以對于整個宇宙網絡有一種“浸入式”的體驗，可以讓普通人也對于宇宙的整體結構有所了解。

在普通物質的背后，是更加神秘的暗物質，它才是構成整個宇宙網絡的關鍵因素。目前人類還沒有任何方式可以直接觀測到暗物質的存在，它們極少與普通物質發生相互作用，只通過引力與普通物質發生聯系。正因為如此，普通物質的聚集處通常也正是暗物質的聚集處。宇宙中人們可見的星系處，普遍也聚集著大量的暗物質。考慮到普通物質與暗物質的比例，我們所見的宇宙圖像，無非只是龐大的由暗物質構建的宇宙網絡的一些點綴罷了。而更令人捉摸不透的暗能量，其身份更是神秘。人類身處宇宙之中，在經過了數千年的文明發展之后，才真正明白自己對于宇宙一無所知。

（本文寫作參考了《科學》（Science）雜志的相關報道）endprint