科學家耗時10多年細繪氫地圖 探秘銀河系

科學家們利用分別位於南北半球的兩架大型全可動射電望遠鏡，耗時超過10年，繪製了更為詳細的銀河系中性氫地圖，首次揭示了銀河系恆星際氣體的結構細節，有助於解釋銀河系形成的奧秘。在地球以外，人們更熟識的是太陽系中的日、月、行星，也許你還能認出一些星座。但是，它們並非宇宙的「主體」。就宇宙的元素組成而言，氫元素才是「霸主」，它在宇宙普通物質（重子物質）的總質量中佔了3/4，無論是點點的恆星，還是縹緲的星雲，其主要成分都是氫元素。太陽系位於盤狀的銀河系內部，銀河系中瀰漫的氫原子氣體雲分布在我們周圍的各個方向上，並不容易被望遠鏡完整「巡弋」。

不過，10月23日，歐洲《天文與天體物理學》雜誌發表的一篇論文稱，澳大利亞和德國科學家利用分別位於南北半球的兩架大型全可動射電望遠鏡，繪製了更為詳細銀河系中性氫地圖，首次揭示了銀河系恆星際氣體的結構細節，有助於解釋銀河系形成的奧秘。

更詳細的「地圖」

此次公布的銀河系中性氫地圖源於一項被稱為HI4PI的計劃，由澳大利亞和德國科學家共同完成，耗時超過10年，研究成果覆蓋了超過100多萬次的單獨觀測以及大約100億個單個數據點，深度呈現了包含太陽系在內的銀河系內部與周圍的所有中性氫數據。

「HI是天文學中對氫原子的稱呼，也就是中性氫。PI則是圓周率『派』，4PI是指弧度制下全天立體角的數值，也就是全天所有方向、不留『死角』的意思。」中國科學院國家天文台、西澳大學國際射電天文研究中心在讀博士劉博洋在接受《中國科學報》記者採訪時對HI4PI做出了解釋。

「這並不是第一次繪製出氫地圖。」中國科學院國家天文台研究員陳學雷告訴《中國科學報》記者。

從上世紀80年代末開始，荷蘭和阿根廷的科學家就通過位於架在兩個國家的射電望遠鏡進行了觀測，並且繪製過一張氫原子氣體地圖。之所以由兩個國家進行合作，是因為在北半球的觀測地點只能看到靠北的天空，而南半球的觀測點才能觀測到南天星空。「之後再將兩部分觀測數據進行結合。在赤道部分，兩個觀測點的數據會有重合。」劉博洋說道。

不過，因為當時觀測條件有限，使用的望遠鏡口徑分別為25米和30米，繪製的地圖也並不清晰。「解析度與口徑成正比，而收集光子的效率跟口徑的平方成正比。」劉博洋解釋。

而解析度的高低決定了觀測的清晰程度。「解析度越高，看得越細緻。」陳學雷補充道。

此次公布的銀河系中性氫地圖，使用的是位於德國埃費爾斯貝格的100米直徑馬克斯普朗克射電望遠鏡，以及位於澳大利亞的64米帕克斯射電望遠鏡產生的數據。「這比之前公布的地圖，在空間解析度上提高了一倍，雜訊也降低了50%以上。不過，速度解析度比之前那個稍差，基本持平。」劉博洋繼續解釋其中的專有名詞，「在天文學中，對於天體的描繪也是三維的，不過與地球上理解的三維不同。除了天空這個球面的二維，還有速度這個維度，我們可以依靠相對運動速度來輔助判斷，區分天體的遠近。」

了解宇宙的基礎

當然，在宇宙中，氫家族並非只有中性氫一種。「一個氫原子核加一個電子的組合被稱為中性氫，也就是HI。其中I就是羅馬數字中的Ⅰ。」劉博洋解釋說，兩個氫原子在一起則被稱為氫分子，「它們是氫原子在塵埃表面結合形成的，這通常發生在氫原子云密度較大的地方，那裡氫原子云會演化成氫分子雲。最後就會形成恆星。」

還有一種存在形式就是，氫原子中的電子如果被光子「拐走」，被電離後的氫離子為主的區域，被稱為電離氫區（HⅡ區）。

中性氫並不容易被觀測到，直到科學家發現氫的21cm譜線輻射，這也是天文學的專有名詞。眾所周知，在目前已經發現的化學元素中第一號元素為氫元素。中性氫原子的電子自旋與原子核的自旋相比有兩種取向，即平行和反平行，前者的能量高於後者，這會產生一個分裂的能級。當一個電子從能量較高的能級躍遷到能量較低的能級時，就會發出一個頻率為1420.406兆赫茲的光子，這就是21cm氫譜線輻射。

在宇宙中，除了地球上肉眼可見的星星，還有一些塵埃和氣體等星際物質，它們並不都能在可見光波段被觀測到。因此，要想通過地球上的光學手段全面觀測這些物質非常困難。不過，它們之中的氫原子氣體卻可以發出21cm譜線輻射，所以21cm譜線成了研究星際中性氫原子分布、銀河系和河外星繫結構的重要手段。

21cm譜線觀測設備的先進與否，決定了科學家觀測到的宇宙物質分布的細節多寡，進而影響後續研究的相關結論。「此前的同類觀測空間解析度有限，所以一些細節沒有分辨出來。這次巡天的靈敏度和解析度更高，提供更多的細節。」紫金山天文台研究員鄭憲忠告訴記者，「這樣可以更好地研究原子氣體與分子氣體的分布關聯，為研究恆星的形成奠定基礎。」

追尋銀河的歷史

「在宇宙早期的黑暗時期，第一代天體尚未形成，宇宙中的物質以中性氫和氦原子構成。隨著星系的形成，中性氫原子很快被電離為質子與電子，宇宙變得透明。」鄭憲忠介紹道。這種變化破壞了中性氫21cm輻射與宇宙微波背景輻射的平衡，讓人類有機會觀測到來自中性氫的輻射。這些信息可以讓天文學家們得到宇宙中誕生的第一批發光天體的寶貴信息，進而描繪出宇宙從黑暗時期走向光明時代的過程，將第一代恆星誕生的歷史補充完整。

為了儘快追尋銀河系的本源，除了正在進行的HI4PI項目，目前國際上還有一項名為平方公里陣列（SKA）的射電干涉陣計劃也在推進中。「我國也參與其中，這是由科技部資助的大型國際合作研究計劃。有望在普查近鄰和遙遠宇宙中原子氫大尺度分布，以及在宇宙如何再電離等重大科學問題上取得突破成果。」鄭憲忠表示。

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