星際氣體與宇宙網中的漣漪——探索宇宙演化歷史空白期

宇宙的再電離是星系形成與演化的關鍵階段，也是至今人類所認知的宇宙演化歷史中的一塊空白。最近的一項研究利用罕見的類星體對發出的光來探測小尺度上的宇宙網結構，為再電離時期的物理提供了重要線索。

撰文 Julie Cohen

編譯 卓思琪

審校 朱夢軒 金庄維

遙遠的星際空間可能是我們已知的最貧瘠的地方。在那些空曠的區域，每立方米大約只有一個孤獨的原子——這些彌散在空間中的氫氣薄霧是宇宙大爆炸留下的。在大尺度上，這些氫氣排列成被稱為「宇宙網」的纖維狀結構：糾纏在一起的絲狀結構跨越數十億光年，並包羅了宇宙中大多數的原子。

如今，一個天文學家團隊首次利用罕見的類星體對對原始氫氣中的小尺度「漣漪」進行了測量。儘管他們所研究的宇宙網區域在約 110 億光年以外，但他們仍然可以測量宇宙網結構在小尺度上的變化，這個尺度約為單個星系範圍的十萬分之一。該研究結果發表在Science上（論文信息見文末）。

星際氣體十分稀薄，它們自身無法發出光芒。因此，天文學家們通過觀測星際氣體對遠處的類星體光芒的選擇性吸收，間接地對它們進行研究。類星體是星系壽命中一個短暫的超高亮度階段，由落入星系中心大質量黑洞的物質驅動發光。類星體就像是宇宙中的燈塔，它們明亮、照射距離遠，天文學家能夠利用類星體的光芒來研究類星體與地球間存在的星際原子。但由於類星體非常「短命」，因而十分罕見，且彼此分散，相距數億萬光年之遙。

該圖示意了利用罕見的類星體對發出的光來探測小尺度上的宇宙網結構。（版權：J. Onorbe / MPIA）

為了在更小的尺度上探索宇宙網，天文學家意外地發現了一種宇宙巧合。他們「識別」出了非常罕見的類星體對，來自這對類星體的光線在方向上略有差別。通過測量星際氣體在這兩個方向上的吸收光譜之間的微妙差別，研究人員便能得到宇宙網在小尺度上的「漣漪」（如圖）。

「類星體對非常罕見，尋找它們如同大海撈針。」UCSB 物理系副教授 Joseph Hennawi 說道。他開創性地將「機器學習」的演算法用於高效尋找類星體對。「為了尋找它們，我們仔細梳理了數十億的星體的圖像。這些星體非常黯淡，亮度只有裸眼可見的百萬分之一。」

當類星體對被確認之後，研究人員便利用大型望遠鏡對它們進行觀察，其中便包括夏威夷島莫納克亞山上的十米口徑的凱克（Keck）望遠鏡。

論文第一作者、劍橋大學博士後研究員 Alberto Rorai 表示，量化所測數據中的細微差別需要建立數學統計工具，這是該研究中的一大挑戰。Alberto Rorai 在博士期間開發了這些數學工具，並把它們應用在了和 Hennawi 等人合作進行的類星體譜研究中。

天文學家將他們的測量數據與使用超級計算機進行的模擬結果進行比較。在普通的筆記本電腦上，複雜的模擬計算需要花費 1000 年才能完成，但超級計算機卻能將時間縮短至數周。

「我們『輸入』物理定律後就能得到可直接與天文數據進行比較的人工宇宙（數據）。」馬普所天文學博士後研究員 Jose O?orbe（論文合作作者）說道，「我很高興看到測量數據和宇宙結構形成的成熟理論相吻合。」

「小尺度波動中包含了有趣的信息——它和大爆炸數十億年後宇宙網中的氣體溫度有關。」 Hennawi 解釋道。

天文學家認為，宇宙誕生初期，物質經歷相變，從而極大地改變了宇宙的溫度。所謂的「再電離（reionization）」就是一次重要相變，它發生在大爆炸宇宙學的黑暗期之後，那時恆星和類星體的紫外能量足夠高，能夠電離星際空間中比較稀薄的氣體。隨著星系的不斷形成，電離區逐漸擴大並相互連結。當電離區覆蓋整個宇宙中的星系際介質時，再電離完成。但是再電離究竟發生在什麼時刻？它是如何發生的？這些仍然是宇宙學中的未解之謎。如今的新觀測為這些問題提供了重要的線索，幫助我們揭開宇宙歷史的神秘面紗。

參考來源

http://www.news.ucsb.edu/2017/017911/ripples-cosmic-web

論文基本信息

【論文題目】Measurement of the small-scale structure of the intergalactic medium using close quasar pairs

【論文作者】Alberto Rorai, Joseph F. Hennawi, Jose O?orbe, Martin White, J. Xavier Prochaska, Girish Kulkarni, Michael Walther, Zarija Luki?, Khee-Gan Lee

【期刊】 Science

【日期】2017.4.28

【DOI】10.1126/science.aaf9346

【摘要】The distribution of diffuse gas in the intergalactic medium (IGM) imprints a series of hydrogen absorption lines on the spectra of distant background quasars known as the Lyman-α forest. Cosmological hydrodynamical simulations predict that IGM density fluctuations are suppressed below a characteristic scale where thermal pressure balances gravity. We measured this pressure-smoothing scale by quantifying absorption correlations in a sample of close quasar pairs. We compared our measurements to hydrodynamical simulations, where pressure smoothing is determined by the integrated thermal history of the IGM. Our findings are consistent with standard models for photoionization heating by the ultraviolet radiation backgrounds that reionized the universe.

【鏈接】 http://science.sciencemag.org/content/356/6336/418.full

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