绘制宇宙地图

苗千

一个由各国天文学家组成的“贝塞尔巡天”项目小组正在尝试绘制出银河系另一面的地图。2017年10月13日，他们在《科学》杂志上发表了最新研究成果。

即使你是英国科幻小说作家道格拉斯·亚当斯的书迷，把他的名作《银河系搭车指南》奉为圣经，恐怕也不敢说自己已经对银河系了如指掌。毕竟幻想归幻想，人类不仅还没有能力畅游银河系，对于自己所居住的星系的具体形态都知之甚少，这与我们所处的位置有关。在银河系的内部，很难看到星系的全景。人类想要为银河系绘制一份尽可能精确的地图，面临着很多实际困难。

我们的太阳系本身就属于银河系的一部分。我们身处银河系之中，却可以在夜空中清晰地见到银河的形状——从我们的角度看来，银河系呈现出一条明亮的带子形状。在历史上人们曾经把银河系比喻为一条河流或是牛奶，但實际上如果我们换一个角度，从银河系的顶端俯视这个扁平圆盘状的星系，就能够看出它是一个宇宙中最常见的具有旋臂的“螺旋星系”——宇宙中大约有三分之二的星系都属于螺旋星系。在银河系的核心区域又有一个由恒星组成的短棒区域，具有这种结构的星系又叫作棒旋星系（barred spiral galaxy）。从短棒的两端伸展出两条银河系的主要旋臂，除此之外还有两条较小的旋臂，太阳系就处在两条主要旋臂人马臂（Sagittarius）和英仙臂（Perseus arms）之间的一个本地分支，名为“猎户臂”（Orion Spur）的小旋臂内侧边缘。

想要充分了解这个含有大约2000亿颗恒星、直达到10万光年的银河系，对于人类来说绝非易事，因为人类无法从银河系的一条旋臂上，透过星系的中心看到另外一侧的旋臂。在理论上，想要看到银河系的另一侧，就必须穿过银河系的中心区域，而在银河系的中心聚集着大量的恒星、气体和灰尘，这些物质都会阻止光线的传播，更不用提在中心还有一个超巨型黑洞。

但是有科学家发现，在可见光的频率区域之外，人类有可能通过相对来说波长较长的电磁波接收到来自银河系另一侧的信号，甚至有可能以此绘制出一幅银河系的完整地图。一个由各国天文学家组成的“贝塞尔巡天”（Bar and Spiral Structure Legacy Survey）项目小组正在尝试着利用这种方式绘制出银河系另一面的地图。从2010年到2015年，该研究小组在美国各地的天文台，大约花费了3500个小时来追踪来自银河系另一端的信号。2017年10月13日，他们在《科学》（Science）杂志上发表论文《绘制银河系远侧的螺旋结构地图》（Mapping spiral structure on the far side of the Milky Way），报告了他们的研究结果。

在银河系中虽然已经存在大约2000亿颗左右的恒星，而且其中大多数恒星的年龄都高过太阳，实际上在星系内部仍然有足够的材料制造出新的恒星。在星系的旋臂内部，气体、灰尘等各种物质相互阻塞碰撞，这正是诞生出新的恒星的好场所。根据估算，银河系内部的物质仍然足以形成数十亿颗新的恒星。

在银河系的另一侧，一些区域正在诞生着新的恒星。一些高温水蒸气就聚集在这些区域中，它们可以发射出强烈的电磁波，而这些电磁波可以穿透银河系中心区域的灰尘与气体到达地球。贝塞尔巡天项目的科学家们正是通过测定这些66000光年之外，来自银河系另一侧的电磁波的位置，试图了解星系那一边的状况。通过对各种不同信号位置的推算，确认这些信号来自银河系的主要旋臂之一：盾牌-半人马臂（Scutum-Centaurus Arm）。至今为止，科学家们已经收集了大约150个水蒸气聚集区域的信号，如同“标记在海岸线边分布的灯塔”一样，通过这种方式，一步步勾勒出银河系另一侧旋臂的形状。

尽管有些从事这项工作的科学家纯粹是觉得自己所做的工作非常有趣，但实际上他们正在绘制的，是对于人类来说银河系中最为陌生和边远区域的地图。

人类从20世纪50年代开始就通过银河系中明亮的氢气团定位，绘制了银河系地图，此后地图的精度不断提高，银河系的形象开始变得清晰，整个星系的四旋臂模型也才逐渐成形。目前除了贝塞尔巡天项目之外，还有其他几个探测银河系结构的项目也在进行之中。到2018年4月，欧洲空间局花费20亿英镑巨资发射的重达2吨的空间望远镜——盖亚探测器（Gaia Probe），也将完成它为期五年的探测任务。自从2013年12月发射升空以来，盖亚探测器在可见光范围内对银河系内1%的恒星进行探测，已经多次发回含有银河系内总数超过10亿个天体的数据，等到2018年它的任务正式完成，科学家们也将以前所未有的精度绘制出包含有银河系内超过10亿个天体的三维地图，这个地图也将勾勒出银河系各个悬臂的形状。

为宇宙中的沧海一粟银河系绘制地图尚且如此困难，人类想为整个宇宙绘制出一幅地图在现在看来就更显得不合实际了。人类是在最近几十年才明白，宇宙中我们所能“看到”的部分仅仅占有宇宙中物质总量的极小一部分。目前科学家们大约可以计算出，在宇宙大爆炸发生后的20分钟之内，总共大约产生出多少氢元素和氦元素，这个数字也与人们对于宇宙微波背景辐射的研究相吻合——这说明宇宙主要是由70%的暗能量、23%的暗物质和大约4.3%由重子构成的常规物质组成。

目前对于暗能量和暗物质的研究都是宇宙学中最重要的课题，但问题还不止于此。即使是对于最易于探测的常规物质，目前科学家们也不知道它们究竟都分布在宇宙中的什么地方。例如最容易被发现的恒星和星系，大约只占到宇宙中常规物质总质量的10%左右，即使算上其他各种因素，宇宙中仍然有大约一半的原子不知去处。

想要寻找到这些失踪的原子，就需要同时从理论和实验方面入手。科学家们在电脑上运行一个被称为“标准宇宙模型”（Standard model of Cosmology）的关于宇宙如何诞生和生长的电脑程序。电脑模拟显示，在宇宙的生长过程中，暗物质逐渐聚集凝结，慢慢形成了一个由节点和连线构成的笼罩了整个宇宙的“网络”，而众多可见的星系，因为引力的作用，也就镶嵌在这个宇宙网（cosmic web）之中。关于那些失踪的常规物质，或许也可以此为线索找到踪迹。endprint

科学家们根据电脑模拟的结果推测，那些目前人类无法找到的常规物质，大多是以尘埃的形式游荡在各个星系之间，称其为“温热星际间物质”（warm-hot intergalactic matter）。这些物质可能温度极高，可以散发出强烈的X射线，但是因为分布单薄，又很难被发现。

爱丁堡大学一组研究人员通过一种全新的方法找到了这些星际间不易被发现的常规物质。在宇宙膨胀的过程中，宇宙微波背景辐射的波长被拉伸，能量因此减小，目前弥漫在宇宙中记录宇宙大爆炸的微波背景辐射平均只高于绝对零度2.75度。但是当这些微波背景辐射的光子与星系间的电子相撞，这些光子可能会从中获得极其微小的能量，从而使其波长变短（光子所具有的能量与其波长成反比），这种现象被称为苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应（Sunyaev-Zel'dovich effect）。研究人员正是试着利用这种现象来找到那些失踪的星际间物质。

苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应极其微弱，光子与电子相撞，其波长也只会缩短千万分之一。为了使这种效果被放大，在宇宙中清晰可见，研究者们通过斯隆数字巡天（Sloan Digital Sky Survey）项目，在宇宙中找到了100万对彼此距离相近的星系，再把它们的照片重叠在一起，就可以清晰地发现苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应所造成的结果。通过这种方式，研究者们发现，在宇宙网络中连线区域的星际物质比宇宙中的平均物质密度高出了六倍，这些物质的质量占到了此前失踪的常规物质总质量的30%左右。

虽然还没有找到失踪的全部普通物质，这样的结果依然令人感到鼓舞。爱丁堡大学的这几位研究者在2017年10月5日把報告这项研究成果的论文《通过苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应揭示宇宙网络中失踪的重子》（Missing baryons in the cosmic web revealed by the Sunyaev-Zel'dovich effect）预印本率先发表在了网络上。然而科罗拉多大学的天文学家迈克尔·沙尔（J. Michael Shull）认为这些研究者们做的一些假设可能过于简单，他们认为这些物质恰好分布在星系间人们可以看到的位置，这未免过于巧合。想要获得这些物质真正的分布地图，可能还需要利用更先进的X射线望远镜对宇宙进行观测，建立一个更准确的三维模型。

人类真正认识到所谓的“宇宙网络”也才只有10年左右的时间，宇宙学家们可能容易通过理论或是电脑模拟来得出宇宙网络的图像，但是在宇宙中极大尺度的分布上，普通物质是否受到暗物质的影响，总体的分布是否呈现出网络结构，这并不容易发现。想要真正在宇宙观测中发现这种结构，就需要利用宇宙中的探照灯——在星系中心区域的类星体（quasar）——的光芒来寻找。类星体的能量来自于星系中心的超大黑洞，一个大的类星体每天可能都会吸入好几颗恒星，这样的天体会将一部分能量以高能粒子流的形式释放出来，其能量可能相当于一万亿个太阳，其亮度可能持续数百万年之久。

一些类星体凭借其自身强大的能量，不仅可以点亮整个星系内部的气体，甚至也可以照亮在星系周围的气体，让人们有可能真正了解在星系周围物质的分布情况。直到2014年，几位来自加州大学圣克鲁兹分校、加州大学天文台和马克思-普朗克天文研究所的科学家才首次合作在《自然》（Nature）杂志发表论文，题为《通过一个明亮的高红移类星体附近Lyman-a揭示宇宙网络连线》（A cosmic web filament revealed in Lyman-a emission around a luminous high-redshift quasar），报告了他们的研究成果。

一个距离地球约100亿光年的遥远的类星体所发出的光线，在到达地球的过程中因为宇宙膨胀的因素频率发生了很大变化。为了研究这个照亮了整个星系的类星体的光线，这些研究者为坐落在夏威夷的10米口径的凯克望远镜设计了一个特殊的滤波器，让其只能探测到光线波长的变化。通过研究这些来自100亿光年之外的光线，科学家们发现，这些气体沿着星系间宇宙网络的连线一直蔓延出200万光年的距离，这是人类第一次通过宇宙观测了解到宇宙网络的构成情况。在2016年，视觉研究者和信息设计师金·阿尔布莱希特（Kim Albrecht）设计了一款具有三维可视化效果的宇宙网络模型，在这个三维模型里，用户可以对于整个宇宙网络有一种“浸入式”的体验，可以让普通人也对于宇宙的整体结构有所了解。

在普通物质的背后，是更加神秘的暗物质，它才是构成整个宇宙网络的关键因素。目前人类还没有任何方式可以直接观测到暗物质的存在，它们极少与普通物质发生相互作用，只通过引力与普通物质发生联系。正因为如此，普通物质的聚集处通常也正是暗物质的聚集处。宇宙中人们可见的星系处，普遍也聚集着大量的暗物质。考虑到普通物质与暗物质的比例，我们所见的宇宙图像，无非只是庞大的由暗物质构建的宇宙网络的一些点缀罢了。而更令人捉摸不透的暗能量，其身份更是神秘。人类身处宇宙之中，在经过了数千年的文明发展之后，才真正明白自己对于宇宙一无所知。

（本文写作参考了《科学》（Science）杂志的相关报道）endprint