这张照片值100亿!凭什么?

科技 | 2022-08-20| 2

2022年7月11日,詹姆斯·韦布空间望远镜 (JWST) 的第一张彩色图片正式发布,它立即就成了世界各地的网友们最熟悉的一张星空照片。

不过,问题来了,这张照片为什么看起来这么乱——这里头到底都拍了些啥?

其实,这张照片描绘的是一个叫做SMACS 0723.3-7327的星系团,距离我们69亿光年。这张照片里充满了有趣的细节,算得上是一件具有里程碑意义的重要艺术品

如果我们拿出欣赏《清明上河图》这件不朽名作的劲头,来仔细欣赏一下这张发布于小暑节气之后的“小暑上天图”,也能看到有趣的细节,并且沉浸其中。

这张照片值100亿!凭什么?

01

“浅浅的弧线”

我们先从一些不太起眼的地方看起,“小暑上天图”有很多绚烂多彩的高亮区域,但在相对黯淡的地方也有精彩的细节。

在图1中,你能看到一些浅浅的弧线。它们虽然“黯淡”,但和照片中最惊人的巨大引力光弧一样,都是星系团产生的引力透镜效应的杰作。

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图1

你或许听说过,根据广义相对论,引力能弯曲光线。在“小暑上天图”的中间部分,正是SMACS 0723.3-7327星系团的中心区域。星系团巨大质量带来的显著引力效应使部分途径此地并且射向我们的电磁波偏转,造就了这些浅浅的弧线。

能让光线弯曲的惊人引力效应其实并不主要由你在照片中看到的明亮星系引起。实际上,星系团身处于被天文学家称为“暗物质晕”的巨大不可见物质聚集中,其尺度比整张照片还要大得多。描绘这些暗物质的分布也是天文学家的重要使命之一。

在天文学家看来,那一条条弯曲的弧线,就好像是池塘中缓慢游动的锦鲤,而暗物质便是池水。我们无法看到清澈见底的池水,但我们知道,池水就在锦鲤与锦鲤之间——每多一条锦鲤,天文学家对暗黑宇宙的理解,就可以多增加一分。

02

“被‘扭曲’的星系”

图2中的弯曲结构,是“小暑上天图”里最引人注意的东西了。

前面提到的暗物质的引力透镜效应能将背景星系塑造成各种独特的造型。图2左面这个被扭曲的旋涡星系,看起来就很像是达利名作《融化的时钟》里的那台扭曲的钟。

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图2

不过,更有意思的是其中的科学细节。图2中两个用橙色标注出来的扭曲的星系,仿佛在尽力避免碰到身旁白色的星系。这个看起来很“扭曲”的姿态,也跟暗物质有关。

那些白色的星系周围,也存在着主宰者它们各自命运的“子暗物质晕”(Sub-Halo)。这些比星系团暗物质晕小的结构,迫使橙色星系发出的光线“绕着走”,形成了扭曲的样貌。这样的结构让天文学家看到了星系团暗物质晕内的“团块”。而观察尺度的逐渐缩小,也能帮我们一点点逼近“暗物质是什么”这个问题的答案。

03

“珍珠般的亮点”

图3的区域很小,但是如果放大了看,能看到星系周围散落着一些珍珠般的小亮点。这些珍珠其实是在宇宙更早期的星系中诞生的一系列年轻的星团。

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图3

此前,天文学家并没有很好的条件直接观测到这些“珍珠”,而现在他们也可以细致研究遥远星系中恒星的孕育了。

此外,和前面的“锦鲤”类似,每颗“珍珠”都提供了绘制暗物质地图的额外路标。它们的精确位置可以告诉天文学家在比单个星系更小的尺度上暗物质的分布如何?有没有更细致的结构?这些问题都是困扰了天文学家很久的。

04

“对称星系”

如果你能放大图4的区域,并且仔细观察,有可能会注意到,这个星系好像是左右对称的。

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图4

我在放大的图像上,用虚线标注出了对称轴。你看,在这条对称轴的两侧,箭头指出的亮点是不是完全对称的?

这样的对称图形并不是这个星系的本来面目。实际上,因为它刚好处于“引力透镜”质量分布的一个特定位置上才形成了特殊的“折叠光弧”。

05

“朱砂点”

图5的两个区域,各有一点鲜红色的小圆点,就像是一点朱砂一样漂亮。需要再提醒你一下的是,这张照片拍摄的波段,并不在可见光范围内,图中所有的颜色,都是制作人员后期着色的结果。

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图5

不过,所填充的颜色依然保有物理学上的意义。这两个“朱砂点”是很多天文学家朝思暮想的目标:鲜艳的大红色意味着它们的辐射全部集中在波长最长的红外波段,恰是宇宙极早期星系的典型观测特征。

它们诞生于只有1亿-2亿年的“婴儿宇宙”中,离地球极其遥远,所以它们的光芒也是无比的黯淡——只有借助星系团这样的宇宙放大镜才能看到。

06

“椭圆星系”

现在,让我们再一起看一下这张照片的中心。图6是整张图片里最显眼的星系:端坐在星系团中央的椭圆星系。它们是宇宙中质量最大的罕见星系,可达到一万亿倍太阳质量。

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图6

在它们奶油般的温柔色彩和平静的外表下,是100多亿年以来各星系之间无休止的弱肉强食。频繁、反复的星系并合才最终堆砌出了这个庞然大物。

再细心一点,也许你还会注意到星系丝滑光芒下那些若隐若现的黯淡星点。它们其实是一个个球状星团,是远古独特环境下才能形成的恒星系统,是曾经狂暴恒星形成活动的见证。今天,星系中的恒星形成活动已经完全熄灭了,只剩这遍地的球状星团还在诉说着当年的辉煌。

其实,在JWST这张看起来非常“乱”的“小暑上天图”里,天文学家至少可以找到1万个图6中看到的星团。宇宙诞生过程中,盛大的而热烈的情境可见一斑。

07

“漂浮的水母”

图7看起来就像一只水母在黑暗的宇宙空间漂浮。右下角的星系像是水母的头部,而左上角弥散的絮状结构很像是水母的触手。

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图7

乍一看优雅、美好的“水母”,实际上反映了星系团极其残忍的一面:高温等离子体把星系中的气体逐渐剥离掉,飘散的气体最终形成了一条一条的结构,看起来如同水母的触手。这个过程叫做“冲压剥离”。

它的效果,你自己也可以演示:想象一下,当你张开一叠报纸在无风的体育馆里奔跑,迎面而来的气流把这一叠报纸一张张撕开,又抛掉。这是因为跑步的速度让空气分子对报纸产生了足以克服重量与摩擦力的压力。在星系团中,类似的过程不断上演着。

08

“漩涡星系”

在这张“小暑上天图”里,有太多奇妙的东西了。这么一来,那些“正常”的星系,反而显不出什么特点来,很容易被人忽略了。

但当你注视着它们,一定会发现每个星系都有其独特的性格,一如《清明上河图》中众多形象鲜明的人物。这其中,数量最多的便是图8中不同类型的旋涡星系。

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图8

它们的旋臂或舒展大方、或张扬肆意、或因紧张而扭曲,刻画出了星系生态系统的旺盛生机。作为一名天文学家,看到旋涡星系,我总会感到非常亲切,因为我们所处的宇宙岛便是这样一个看起来普普通通的旋涡星系。

09

“模糊的‘影子’”

比图8的旋涡星系更不起眼的,是图9中那些模糊的“影子”。

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图9

这些影子被称为“低面亮度星系”。它们之所以会如此黯淡,是因为内部的恒星分布非常稀疏。想要观察到它们非常困难——即便是利用JWST这样的,有史以来最强大的空间望远镜,观察它们依然非常困难。

不过,近年来天文学家意识到,这些家伙是星系团中必不可少的。它们独特样貌很可能源自孕育它们的暗物质晕的特殊性质或某些特殊的物理过程。现在,天文学家们对这些影子所知甚少,但其中一定蕴藏着巨大的科学潜力。

实际上,图像的低面亮度区域中还有许多我们不了解的天体。比如图9最右侧那个“张牙舞爪”的结构让很多有经验的天文学家都犯了难。

这是一个被引力透镜扭曲的极其延展的星系吗?还是一个正在瓦解中的星系的残骸?目前没人知道为什么,而且随着观测的深入,类似的谜题还会越来越多。

10

“星系团际光”

图10在“小暑上天图”的原图中,是最大的一个低面亮度结构。可以说是其中最不显眼的区域。不过,当我们搬出美图工具,使劲调高对比度之后,就可以在星系的两端看到两团模糊的光亮了。

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图10

不用怀疑你的眼睛,这是真实的“星系团际光”,是星系团建造历史的见证。每当有星系落入星系团,在被瓦解、吞噬的过程中,会有部分恒星被剥离出来,游荡在星系间。

历经了无数并合后,这些“孤魂野鬼”也能积累起足够的质量。模糊的“团际光”象征了明暗世界的边界。它们既是研究星系团组装历史的重要线索,也是天文学家们描绘暗物质分布的路标。

在这张“小暑上天图”中,天文学家可以识别出上万个天体。而上面的10处细节,仅仅是这张图片所诉说的宏大宇宙史诗中的只言片语。但相信你已经可以感受到这架人类历史上最强大空间望远镜的巨大潜力。

作为一位面向公众的“艺术家”,JWST的第一幅作品“小暑上天图”便已经如此惊艳,未来更加成熟的创作又会有多惊艳呢?我们一起拭目以待吧。

作者|光头怪博士

审核|刘茜 北京天文馆研究员

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