科學家發現太空「巨大光暈」有助探索宇宙網奧秘

【2022年10月30日訊】(記者李宛鴻編譯報導)根據一份新研究,科學家在太空中看到了巨大前所未見的結構,其範圍綿延近十億光年,同時還發出微弱的無線電輝光。研究團隊的這一新發現或可為宇宙中一些關鍵的未解之謎提供新的線索。

研究觀測到的「巨大光暈」(Megahalos)由高能量粒子所組成。然而是什麼給予了它能量,它們又是如何出現在星系團之中,其背後原因仍不清晰。要找出這些問題的答案,不僅將揭開巨大光暈的來源,同時也將解釋宇宙中一些基本而未解的難題,其中包括由物質和氣體所組成,連結宇宙的大規模網狀結構——宇宙網的細節。

由漢堡大學天體物理學家維吉尼亞.庫西蒂(Virginia Cuciti)所帶領的研究團隊,利用低頻陣列望遠鏡掃描數百個遙遠星系團時,發現了四個巨大光暈。低頻陣列是分布在歐洲各地的無線電望遠鏡觀測站,其對低頻率的無線電相當敏感。

這四個巨大光暈與一些較小的無線電暈有關。這些小無線電暈是由電子所組成的分散結構,以近光速行進(又稱為相對論性電子),曾在許多星系團中被觀測到。巨大光暈的體積比之前觀測到的小光暈大30倍,然而其亮度要黯淡20倍。

根據9月28日發表在《自然》期刊的論文,研究人員表示,巨大光暈的存在,顯示在無線電暈之外,受到磁場的引導,其運作機制還維持了大量的相對論性電子。研究人員也補充說明,「此大規模無線電發射的運作機制仍舊是未知的」。

深入探索星系團

「當我們在分析本次研究中星系團的其中一組數據時,我們發現一些非常大規模無線電發射的重要線索。所以我們決定再度檢視310個星系團樣本的所有圖像,我們的研究目標是要找到類似的發射。」庫西蒂接著說。「當我們發現樣本中三個其它的星系團所顯示出的電波發射,有與目標相似的規模及特點,那麼很顯然,我們確實發現了一種新型的宇宙現象,開啟人們運用無線電觀察來探索星系團外部區域的可能性。」

星系團能容納數百或數千個星系,而其中星系之間的重力相互作用,使它們成為宇宙中最閃耀也最混亂的環境之一。即使相隔數十億光年,通過地球上的望遠鏡,我們也常可以清晰地看見星系團最明亮的部分。然而,我們卻對「星系團內部」星系之間較為黑暗的空間所知甚少。

科學家之前已於許多星系團中心觀察到無線電暈,尤其是那些正在融為一體的星系。這表示電子是從星系合併中獲得能量,接著在強磁場作用下,形成膨大的光暈結構。而新發現的巨大光暈擁有相當獨特的屬性,指向一種與眾不同的能量供給機制,或許與星系團內介質中重力能的消散所引發的動盪有關。

「關於巨大光暈,還有許多值得深究的地方。」庫西蒂說。「我們需要更加靈敏的無線電觀察,才能看清這些外來無線電波源的特性,並了解巨大光暈是否只存在於某些星系團中,又或者大多數星系團內都存在著巨大光暈。低頻陣列目前正升級為低頻陣列2.0,我們非常有信心,其在靈敏度方面的提升,能幫助我們找到這些問題的答案。」

「經由這些觀察,我們現在有一些關於星系團外部區域可測量的資料。」她接著說,「由於它經常出現在天體物理學中,因此我們將在研究中加入電腦模擬。我們計劃展開一場覆蓋範圍廣大的宇宙學電腦模擬項目,目標在於複製巨大光暈的存在與特質。」

有助進一步了解宇宙網

宇宙網是橫跨在宇宙中「精密複雜的絲狀物結構」,透過上述種種努力,研究團隊最終將得出關於宇宙網的新見解。星系團由氣體及神祕的暗物質所構成,並出現在這些絲狀物的相交處。流動於絲狀物間的較為黑暗之外部區域的物質,逐漸累積成為星系團,然而此黑暗區域仍舊難以調查。巨大光暈目前提供了一種新的方法,來探索星系團黑暗、難以捉摸的邊緣地帶。

「我們能透過巨大光暈來調查這些區域,表示我們能得知在大規模宇宙結構形成過程中,能量是如何消散的,以及在等離子體密度極低的情況下,粒子要如何加速。」庫西蒂說。「此外,巨大光暈也是我們邁向直接探測宇宙大規模結構相當重要的一步。」

「宇宙中存在的超高密度如絲狀物、牆狀物和聚集成團的物質,通常都能藉由對這些區域中存在的星系進行觀察而推論出,但現在我們開始對充滿這個空間的等離子體進行觀測。」她補充道。「最終的目標,是要了解宇宙中超高密度區域的物質,其獨特的狀態,並且追蹤其結構,推導出它們的演進模式。」

無線電天文學的黃金時代

低頻陣列望遠鏡是新一代超靈敏無線電陣列的一部份。透過揭示系外物體、對龐大的宇宙網進行勘測, 以及其它眾多發現,它將使我們對宇宙的認知徹底改變。科學家同時也非常期待平方千米陣(Square Kilometer Array, SKA)的完工,它會是人類建造過最靈敏的無線電望遠鏡,並且在下一個十年中投入運作。

「這將是無線電天文學的黃金時代。」地球上能觀察到的無線電波長,為數公尺到數十公尺。庫西蒂表示,「低頻陣列開啟了一扇全新的觀測之窗,涵蓋我們從地球上所能觀測到最低的無線電頻率。此次研究的成果,只是天文學家開始探索這塊新領域後,眾多發現中的一例。」

「從另一方面來說,透過對平方千米陣所進行的空前跨國合作,將帶來人類所建造過最靈敏、最精密的無線電干涉儀(一系列共同合作的無線電望遠鏡)。」她提到,「除此之外,這些設備還將涵蓋現代天體物理學中,各式各樣關鍵的議題。例如原始宇宙的研究、第一代恆星和黑洞的形成、對至今仍舊神祕難解的暗能量的探索,以及對太空中磁場起源的認識。」◇#

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