展示的宇宙让我们观察宇宙的强大仪器

从今天开始，地球将经历一场流星雨。但在天文学中，人眼是一种非常有限的工具。但越来越强大的仪器让我们能够更深入地观察宇宙，更早地回顾过去，为宇宙的起源带来新的启示。

如今，科学家能够观测到围绕恒星运行的系外行星、单个星系，甚至整个宇宙。“宇宙实际上大部分都是空旷的空间，”洛桑联邦理工学院天体物理实验室教授Jean-PaulKneib说道。“隐藏的东西并不多。”

关键是要知道你在寻找什么，制造合适的工具，并朝着正确的方向发展。然后做一些整理工作。

“我们的星系位于视野的前景，挡住了我们视野之外的视线，”克奈布解释道。“因此，如果我们想绘制早期宇宙中的氢，我们首先必须对整个前景进行建模，然后将其从图像中移除，直到我们获得比银河系发射的信号小一百万倍的信号。”

伽利略只能用望远镜画出他所看到的东西。但如今，天文学家可以看到整个宇宙，甚至可以追溯到宇宙的最初阶段。这在很大程度上要归功于他们使用的仪器的快速进步。预计未来几年还会有更多进步。

詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)于2021年12月发射，旨在观察130亿年前第一批恒星和星系形成时发生的事件。平方公里阵列(SKA)射电望远镜目前正在建设中，预计在本世纪末完工，它将回溯到更远的时代，那时没有恒星，宇宙主要含有氢——这种元素占宇宙中所有原子的92%。

“探测这种气体的一个简单方法是在无线电频率范围内操作，这正是SKA要做的，”Kneib说。“目的是探测比前景信号小一百万倍的信号。”

另一个正在筹备的项目是欧洲航天局(ESA)运营的激光干涉空间天线(LISA)。该天线计划于2035年发射，将用于观测引力波，揭示黑洞的成长过程，甚至可能是大后产生的引力波。

追赶数字技术

如果没有其他领域的进步，这些新仪器就不会如此具有启发性。“就目前情况而言，我们没有处理SKA数据的软件，”Kneib说，他相信，得益于计算机和计算科学、人工智能(AI)和处理能力的进步，我们最终会实现这一目标。例如，人工智能对于整理大量数据以发现有趣的异常以及计算星系的质量非常有用。

“科学家可以利用引力透镜效应，即大型物体使来自遥远光源的光线发生弯曲，来计算星系团的质量，误差在1%以内，就像使用秤一样，”Kneib解释道。“我们可以训练人工智能模型来发现引力透镜造成的图像扭曲。考虑到宇宙中可能有2000亿个星系，这是一个巨大的帮助——即使我们只能测量千分之一星系的质量。”

但是我们看到的图像描绘的真的是黑洞吗?2019年发布的一张著名图像显示了黑洞周围有一个甜甜圈状的光环。如果我们靠近它，我们真的能看到那个光环吗?

“这不是一张光学照片，”克奈布说，“这是一张纯数字渲染的照片。为了准确观察黑洞发出的毫米波长信号，科学家必须将多台地面望远镜组合起来，形成一个大致相当于地球大小的望远镜。然后通过干涉法(一种使用波干涉的测量方法)重建图像。

“但该图像代表的是真实信号，与黑洞周围尘埃云中的物质数量有关。简单来说，暗的部分是黑洞，亮的部分是围绕黑洞旋转的物质。”

四维视角

“计算只是天文学方程式的一部分——你需要能够将事物形象化，这也有助于你检查计算是否正确，”克内布说道，他能够像读书一样读懂距离我们4,000光年的礁湖星云的壮丽图像。

“该图像是使用不同波长的光学观测来描绘各种气体而生成的。当然，增强色彩需要一些艺术性。但这幅图像对物理学家也具有重大意义。颜色表示不同气体的存在：红色代表氢气，蓝色代表氧气，绿色代表氮气。致密的黑色区域含有大量尘埃。这些通常是恒星形成的区域。”

在观察二维以上的物体时，可视化尤为重要。“通过研究三维宇宙，我们能够测量天体之间的距离，”克奈布说。

4月初，参与暗能量光谱仪(DESI)项目的科学家(包括来自EPFL的天体物理学家)宣布，他们已经创建了迄今为止最大的宇宙星系和类星体的3D地图。

但这还不是全部：研究人员还在第四维度(时间)研究宇宙，从而为观察明亮但转瞬即逝的现象开辟了令人难以置信的可能性。“例如，我们并不真正了解快速射电暴的起源，这是一种极其明亮的电磁辐射爆发，最多只持续几秒钟，有时甚至只有几分之一毫秒，”克奈布说。

我们会在系外行星上发现生命吗?克奈布回答说：“利用红外干涉测量法，我们很有可能拍摄到一颗围绕另一颗恒星运行的行星的照片。图像可能比较模糊，但我们可以观察和描述行星表面的云层和结构变化等特征。这绝对有可能，也许20或30年后。”

然而，对于一些基本问题，我们不太可能仅通过成像找到答案。为什么宇宙在加速膨胀?是因为暗能量吗?为什么80%的物质是不可见的?我们对引力的认识完全错了吗?未来几代天体物理学家将一直注视着天空或紧盯着屏幕，试图解开宇宙最深的奥秘。

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