28.3: 太空中星系的分布
- Page ID
- 203082
学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 解释宇宙学原理并总结其适用于已知宇宙最大尺度的证据
- 描述局部星系群的内容
- 区分星系群体、星团和超级星团
- 描述宇宙中最大的结构，包括空隙
在上一节中，我们强调了合并在塑造星系演变中的作用。 为了碰撞，星系必须非常靠近。 为了估计碰撞发生的频率及其对星系演化的影响，天文学家需要知道星系在太空和宇宙时间内的分布情况。 他们中的大多数人是彼此隔离还是成群结队？ 如果他们聚集在一起，这些团体有多大，它们是如何以及何时形成的？ 总的来说，星系及其群组在宇宙中是如何排列的？ 例如，天空的一个方向是否与其他方向一样多？ 星系是如何按照我们今天发现的方式排列的？
埃德温·哈勃在首次证明螺旋星云是星系而不是银河系的一部分仅几年后就找到了其中一些问题的答案。 在研究天空中的星系时，哈勃发现了两项发现，事实证明这两项发现对于研究宇宙演变至关重要。
宇宙学原理
哈勃用当时世界上最大的望远镜——威尔逊山上的 100 英寸和 60 英寸反射镜进行了观测。 这些望远镜的视野很小：它们一次只能看到天堂的一小部分。 例如，用100英寸的望远镜拍摄整个天空所花费的时间会比人类一生要长。 因此，哈勃取而代之的是对许多地区的天空进行了采样，就像赫歇尔在测星时所做的那样（参见《银河架构》）。 20 世纪 30 年代，哈勃拍摄了 1283 个样本区域，在每张照片上，他都仔细计算了星系图像的数量（图\(\PageIndex{1}\)）。
哈勃在调查中发现的第一个发现是，在天空的每个区域可见的星系数量大致相同。 （严格来说，只有当来自遥远星系的光没有被我们自己的银河系中的尘埃吸收时，这才是正确的，但哈勃对这种吸收进行了校正。） 他还发现，如果距离我们的所有距离的星系密度大致相同，星系的数量会随着微弱的增加而增加。
要理解我们的意思，想象一下，在一场售完的音乐会期间，你在拥挤的体育场里拍照。 坐在你身边的人看起来很大，所以只有少数人适合拍照。 但是，如果你把注意力集中在体育场另一边坐在座位上的人，他们看起来很小，以至于你的画面中会有更多人合适。 如果体育场的所有部分都有相同的座位安排，那么当你看得越来越远时，你的照片会越来越挤满人。 同样，当哈勃观察越来越微弱的星系时，他看到的星系越来越多。
哈勃的发现非常重要，因为它们表明宇宙既是各向同性又是同质的 —— 它在各个方向上看起来都是一样的，而且在任何给定的红移或距离下的大量空间与那个红移时的任何其他体积非常相似。 如果是这样，那么无论我们观察到宇宙的哪个部分（只要它是相当大的部分）：任何部分看起来都与其他任何部分相同。
哈勃的结果——以及自那以后近100年中出现的更多结果——不仅意味着宇宙在任何地方都差不多（除了随着时间的推移而变化），而且除了小规模的局部差异之外，我们在周围看到的部分代表了整体。 宇宙在任何地方都一样的观念被称为宇宙学原理，是几乎所有描述整个宇宙的理论的起始假设（见《宇宙大爆炸》）。
没有宇宙学原理，我们在研究宇宙方面根本无法取得任何进展。 假设我们自己的当地社区在某种程度上与众不同。 那么，如果我们被困在一个温暖的南海岛屿上，没有外界沟通，试图了解地球的地理位置，我们最能理解宇宙是什么样子了。 从我们有限的岛屿角度来看，我们无法知道地球的某些地方被冰雪覆盖，或者大洲存在的地形比我们岛上的地形要多得多。
哈勃只是在不知道大多数星系有多远的情况下计算了各个方向的星系的数量。 天文学家利用现代仪器测量了成千上万个星系的速度和距离，从而绘制了宇宙大规模结构的有意义的画面。 在本节的其余部分中，我们将描述我们对星系分布的了解，从附近的星系开始。
本地群组
正如你所预料的那样，我们掌握最详细信息的宇宙区域是我们自己的本地社区。 事实证明，银河系是一小群星系的成员，这种星系叫做 L ocal Gro u p，但不太想象。 它分布在大约 300 万光年内，包含超过 54 个成员。 有三个大型螺旋星系（我们自己的仙女座星系和M33），两个中间椭圆星系，还有许多矮椭圆星系和不规则星系。
仍在发现本地组的新成员。 我们在《银河系》中提到了一个矮星系，它是在1994年在射手座星座中发现的，距离地球只有大约8万光年，距离银河系中心约50,000光年。 （这个矮人实际上冒险离更大的银河系太近了，最终会被它吞噬。）
最近的许多发现之所以成为可能，是因为新一代的自动、灵敏、宽视野测量，例如斯隆数字天空测量，该测量绘制了大部分可见天空中数百万颗恒星的位置。 通过使用复杂的计算机程序挖掘数据，天文学家发现了许多微小而微弱的矮星系，即使在那些深度望远镜图像中，这些星系也几乎看不见。 这些新发现可能有助于解决一个长期存在的问题：关于星系如何形成的流行理论预测，像银河系这样的大星系周围的矮星系应该比观察到的要多，而且直到现在我们才有工具来寻找这些微弱而微小的星系并开始比较其中有理论预测的数字。
您可以阅读有关斯隆调查及其显著结果的更多信息。 看看调查显示的这段简短的星系排列飞行动画。
在仙女座星系附近还发现了几个新的矮星系。 这样的矮星系很难找到，因为它们通常包含相对较少的恒星，而且很难将它们与我们自己的银河系中的前景恒星区分开来。
\(\PageIndex{2}\)该图是一个粗略的草图，显示了本地组中较亮的成员所在的位置。 局部群中所有星系的运动平均值表明其总质量约为\(4 × 10^{12}\)\(M_{\text{Sun}}\)，其中至少有一半包含在两个巨型螺旋中：仙女座星系和银河系。 请记住，Local Group 中的很大一部分质量是暗物质的形式。
相邻群组和集群
像我们这样的小星系群在更远的距离内很难注意到。 但是，还有更多被称为星系团的群体，即使在数百万光年之外也更容易被发现。 此类星团被描述为贫富星系，具体取决于它们包含多少星系。 富星团有成千上万甚至数万个星系，尽管其中许多星系相当微弱且难以探测。
最近的中等富裕的星系团被称为处女座星团，以可见它的星座命名。 它距离大约 5000 万光年，包含数千个成员，其中一些如图所示\(\PageIndex{3}\)。 你在 Active Galaxies、Quasars 和 Supermassive Black Holes 一章中认识和喜爱的巨型椭圆星系 M87 属于处女座星团。
比处女座复合体大得多的星团的一个很好的例子是直径至少为一千万光年的昏迷星团（图\(\PageIndex{4}\)）。 这个星团距离大约 2.5 亿到 3 亿光年，以两个巨大的椭圆为中心，每个椭圆的亮度等于大约 4,000 亿个太阳。 在昏迷中已经观测到成千上万的星系，但几乎可以肯定，我们看到的星系只是实际存在星系的一部分。 矮星系太微弱了，在昏迷的距离看不见，但我们预计它们是这个星团的一部分，就像它们是更近星系的一部分一样。 如果是这样，那么 Coma 可能包含成千上万的星系。 这个星团的总质量约为\(4 × 10^{15}\)\(M_{\text{Sun}}\)（足以制造出像太阳这样的400万颗恒星）。
让我们在这里暂停片刻。 我们现在正在讨论即使是天文学家有时也会感到不知所措的数字。 Coma 星团可能有 10、20 或 3 万个星系，每个星系有数十亿颗恒星。 如果你以光速行驶，穿越这群巨大的星系还需要超过一千万年（比人类历史还要长）。 而且，如果你生活在其中一个星系郊区的行星上，那么星团中的许多其他成员将足够近，可以在你的夜空中成为值得注意的景象。
像 Coma 这样的非常丰富的星团通常在中心附近有高度集中的星系。 我们可以在这些中心区域看到巨大的椭圆星系，但螺旋星系很少（如果有的话）。 确实存在的螺旋通常出现在集群的郊区。
我们可以说椭圆机具有高度 “社交性”：它们经常成群结队，非常喜欢在拥挤的环境中与其他椭圆机 “闲逛”。 正是在这样的人群中才最有可能发生碰撞，正如我们之前讨论的那样，我们认为大多数大型椭圆机都是通过合并较小的星系而建造的。
另一方面，螺旋更加 “害羞”：它们更有可能出现在较差的星团中或富集星团的边缘，在这些星团中，碰撞不太可能破坏螺旋臂或分散持续形成恒星所需的气体。
引力透镜
正如我们在《黑洞》和《曲线时空》中看到的那样，在引力场较强的区域，时空的弯曲度更强。 非常接近物质浓度的光线似乎沿着一条弯曲的路径行驶。 如果星光靠近太阳，我们测量的远方恒星的位置与其真实位置略有不同。
现在让我们考虑一下来自遥远星系或类星体的光在前往望远镜的旅程中经过接近物质集中的情况，例如星系团。 根据广义相对论，光路可能会以多种方式弯曲；因此，我们可以观察到失真甚至多张图像（图\(\PageIndex{5}\)）。
如图所示，引力透镜不仅可以产生双重图像\(\PageIndex{5}\)，还可以生成多张图像、弧线或环。 1979年发现的第一个引力透镜显示了同一个遥远物体的两张图像。 最终，天文学家使用哈勃太空望远镜拍摄了引力透镜效果的非凡图像。 一个例子如图所示\(\PageIndex{6}\)。
广义相对论预测，来自遥远物体的光也可能被透镜效应放大，从而使原本看不见的物体足够明亮，足以探测。 这对于探测宇宙年轻时星系形成的最早阶段特别有用。 图\(\PageIndex{7}\)显示了一个非常遥远的微弱星系的例子，我们可以详细研究这个星系，只是因为它的光路穿过大量的大型星系，现在我们可以看到更明亮的图像。
我们应该注意，星系中的可见质量并不是唯一可能的引力透镜。 暗物质也可以通过产生这种效果来显现出来。 天文学家正在使用来自天空的透镜图像来更多地了解暗物质的位置以及暗物质的存在程度。
超级集群和空隙
在天文学家发现星系团之后，他们自然想知道宇宙中是否还有更大的结构。 星系团聚在一起吗？ 要回答这个问题，我们必须能够以三维方式绘制宇宙的大部分地图。 我们不仅要知道每个星系在天空中的位置（即二维），还要知道它与我们的距离（第三维度）。
这意味着我们必须能够测量地图中每个星系的红移。 取每个星系的光谱来做到这一点比像哈勃那样简单地计算在天空中不同方向看到的星系要耗时得多。 如今，天文学家已经找到了在同一个视野中获得许多星系的光谱（有时一次有数百甚至数千个）的方法，以缩短完成三维地图所需的时间。 大型望远镜还能够测量更远星系的红移，从而测量距离，并且（再次）比以前更快地完成红移。
天文学家在决定如何着手绘宇宙地图时所面临的另一个挑战与第一组探险家在地球上巨大而未知的领域所面临的挑战类似。 由于只有一群探险家和大量的土地，他们必须先选择去哪里。 一种策略可能是直线出击，以了解地形。 例如，他们可能会穿过一些空旷的大草原，然后进入茂密的森林。 当他们穿过森林时，他们会知道森林在行进方向上有多厚，但不知道它向左或向右的宽度。 然后，一条河穿过他们的道路；当他们涉水穿过时，他们可以测量其宽度，但对它的长度一无所知。 尽管如此，当他们沿着直线前进时，他们开始对地形是什么样子有所了解，并且至少可以成为地图的一部分。 其他探险家朝其他方向出击，总有一天会帮助填补该地图的剩余部分。
传统上，天文学家必须做出同样的选择。 我们无法以无限的 “深度” 或灵敏度在各个方向探索宇宙：星系太多了，望远镜也太少了，无法完成这项工作。 但是我们可以选择单个方向或天空的一小部分然后开始绘制星系地图。 玛格丽特·盖勒、已故的约翰·胡赫拉和他们在哈佛-史密森尼天体物理学中心的学生开创了这项技术，其他几个小组已将其工作范围扩展到更大面积的空间。
玛格丽特·盖勒：宇宙测量师
玛格丽特·盖勒（Margaret Geller）出生于1947年，是一位化学家的女儿，她激发了她对科学的兴趣，并帮助她想象了小时候分子的三维结构。 （这项技能后来在可视化宇宙的三维结构方面非常方便。） 她记得在小学时很无聊，但父母鼓励她自己读书。 她的回忆中还包括来自老师的微妙信息，即数学（她早期的强烈兴趣）不是女孩的领域，但她不允许自己被吓倒。
盖勒获得了加州大学伯克利分校的物理学学士学位，成为第二位获得普林斯顿大学物理学博士学位的女性。 在那里，在与世界领先的宇宙学家之一詹姆斯·皮布尔斯合作时，她开始对与宇宙大规模结构有关的问题产生了兴趣。 1980 年，她接受了哈佛-史密森尼天体物理学中心的研究职位，该中心是美国最具活力的天文学研究机构之一。 她看到，为了在了解星系和星团是如何组织方面取得进展，需要进行一系列更为密集的调查。 尽管多年都不会取得成果，但盖勒和她的合作者开始了漫长而艰巨的星系测绘任务（图\(\PageIndex{8}\)）。
她的团队很幸运地获得了专门用于他们项目的望远镜，即位于亚利桑那州图森市附近的霍普金斯山的60英寸反射镜，他们和他们的助手在那里拍摄光谱来确定星系距离。 为了获得宇宙的一部分，他们将望远镜对准天空中的预定位置，然后让地球的旋转将新的星系带入他们的视野。 通过这种方式，他们测量了超过18,000个星系的位置和红移，并制作了各种有趣的地图来显示他们的数据。 他们的调查现在包括北半球和南半球的 “切片”。
随着有关她重要工作的消息传到天文学家界之外，盖勒于1990年获得了麦克阿瑟基金会奖学金。 这些奖学金通常被称为 “天才奖”，旨在表彰在广泛领域中真正具有创造性的作品。 盖勒一直对可视化产生浓厚的兴趣，并且（与电影制片人博伊德·埃斯图斯合作）制作了几部获奖视频，向非科学家解释了她的作品（其中一部名为 S o Many Galaxies。 时间太少了）。 她曾出演过各种全国新闻和纪录片节目，包括 MacNeil/Lehrer NewsHour、《天文学家》和《无限之旅》。 她精力充沛，直言不讳，向全国各地的许多观众发表了关于她的作品的演讲，并努力寻找方法向公众解释她的开创性调查的重要性。
“发现以前没人见过的东西真是令人兴奋。 [成为] 有史以来最早看到宇宙那一部分的三个人之一 [就是] 有点像哥伦布。。 没人预料到会有如此惊人的图案！” —玛格丽特·盖勒
在这段 4 分钟的 N OVA 视频中，详细了解盖勒和胡赫拉的作品（包括对盖勒的采访）。 您还可以更多地了解他们的结论以及由此引发的其他研究。
迄今为止最大的宇宙测绘项目是斯隆数字天空测量（参见本节末尾的 “建立联系” 功能框天文学与技术：斯隆数字天空测量）。 斯隆调查绘制的星系分布图如图所示\(\PageIndex{8}\)。 令天文学家惊讶的是，如图中所示的地图显示，星系团在整个宇宙中的排列并不均匀，而是在巨大的丝状超级星团中发现的，看起来像散落在页面上的巨大墨迹弧线。 超级星团类似于一张不规则破损的纸张或形状的煎饼，它们可以在二维上延伸数亿光年，但在第三维空间中只有一千万到两千万光年的厚度。 对其中一些结构的详细研究表明，它们的质量是银河系的几倍\(10^{16}\)\(M_{\text{Sun}}\)，其质量是银河系的10,000倍。
看看这个来自斯隆调查的大规模结构的动画可视化。
将超级星团中的细丝和片材分开是空隙，它们看起来像是被星系大弧围住的巨大空泡泡。 它们的典型直径为1.5亿光年，星系团集中在它们的墙上。 细丝和空隙的整个排列让我们想起了海绵、蜂窝的内部或一大块有非常大孔的瑞士奶酪。 如果你用一个好的切片或横截面穿过其中任何一个，你会看到看起来大致像图的东西\(\PageIndex{8}\)。
在发现这些空隙之前，大多数天文学家可能会预测，巨型星系团之间的区域充满了许多小群星系，甚至还有孤立的单个星系。 在这些空隙中仔细搜索几乎没有发现任何星系。 显然，90％的星系占据的空间体积不到10％。
示例\(\PageIndex{1}\)：星系分布
为了确定三维空间中星系的分布，天文学家必须测量它们的位置和红移。 测量的空间体积越大，测量结果就越有可能成为整个宇宙的公平样本。 但是，随着调查覆盖量的增加，所涉及的工作会迅速增加。
让我们快速计算一下，看看为什么会这样。
假设你已经完成了对3000万光年内所有星系的调查，现在你想调查6000万光年。 您的第二份调查涵盖了多少空间？ 这个数量比你第一次调查的量大多少？ 请记住，球体 V 的体积由公式给出
\[V = \dfrac{4}{3}\pi R^3 \nonumber\]
其中\(R\)是球体的半径。
解决方案
由于球体的体积取决于，\(R^3\)并且第二次测量的距离是原来的两倍，因此它将覆盖大\(2^3 = 8\)几倍的体积。 第二次调查涵盖的总量将为
\[(4/3) \pi \times (60 \text{ million light-years})^3 = 9 \times 10^{23} \text{ light-years}^3. \nonumber\]
练习\(\PageIndex{1}\)
假设你现在想将调查范围扩大到9000万光年。 覆盖的空间是多少，比第二次调查的空间大多少？
- 回答
-
覆盖的总体积是\[(4/3) \pi \times (90 \text{ million light-years})^3 = 3.05 \times 10^{24} \text{ light-years}^3. \nonumber\]调查距离的3倍，因此它将覆盖更大的体积。\(3^3 = 27\)
目前正在设计和建造更大、更灵敏的望远镜和测量仪，以便在太空中越来越远地窥视和时光倒流。 墨西哥的新型50米大毫米望远镜和智利的阿塔卡马大型毫米阵列可以在红移时探测来自大型星爆星系的远红外和毫米波辐射，因此距离宇宙大爆炸的90％以上。 它们无法在可见光下观察，因为它们的恒星形成区域被厚尘云包裹。 直径为6.5米的詹姆斯·韦伯太空望远镜计划在2021年发射。 这将是自25年前哈勃发射以来在太空中的第一台新的大型可见光和近红外望远镜。 这台望远镜的主要目标之一是直接观测第一批星系的光，甚至是第一批发光的恒星的光，距离宇宙大爆炸不到五亿年。
此时，如果你一直在考虑我们对星系中不断膨胀的宇宙的讨论，你可能想知道 Figur\(\PageIndex{8}\) e 中究竟在扩张什么。 我们知道，星系和星系团是由它们的重力结合在一起的，不会像宇宙那样膨胀。 但是，随着空间的延伸，空隙确实会变大，细丝会移动得更远（参见 The Big Bang）。
天文学与技术：斯隆数字天空调查
在埃德温·哈勃时代，必须一次拍摄一个星系光谱。 大型望远镜收集的遥远星系的微弱光线被穿过狭缝，然后使用光谱仪（也称为光谱仪）来分离颜色并记录光谱。 这是一个艰苦的过程，不适合制作需要成千上万个星系红移的大比例地图的需求。
但是，新技术已经拯救了那些寻找星系宇宙三维地图的天文学家。 在新墨西哥州的萨克拉曼多山脉上使用特殊的望远镜、照相机和摄谱仪进行了一次雄心勃勃的天空测量。 该计划以提供大部分资金的基金会命名为斯隆数字天空测量（SDSS），使用2.5米望远镜（与哈勃望远镜的光圈差不多）作为广角天文相机。 在持续十多年的测绘计划中，天文学家使用了SDSS的30个电荷耦合器件（CCDs）（类似于许多数码相机和手机中使用的灵敏电子光探测器）拍摄了超过5亿个物体和超过300万个光谱的图像，覆盖了超过一个天球的四分之一。 与现代科学领域的许多大型项目一样，斯隆调查涉及来自许多不同机构（从大学到国家实验室）的科学家和工程师。
十多年来，每个晴朗的夜晚，天文学家都会使用该仪器制作图像，记录长条天空中天体的位置和亮度。 每个片段中的信息都经过数字记录和保存，供子孙后代使用。 当观察（回想一下天文仪器中的这个术语）仅够用时，望远镜被用来采集星系和类星体的光谱，但它一次最多可以拍摄640个物体。
该项目成功的关键是一系列光纤，即柔性玻璃的细管，它们可以将光从光源传输到CCD，然后由CCD记录光谱。 在拍摄了部分天空的图像并确定了哪些物体是星系之后，项目科学家钻出了一块铝板，上面有孔，用于在每个星系的位置安装纤维。 然后，望远镜被指向天空的右侧，光纤将每个星系的光引导到光谱仪进行单独记录（图\(\PageIndex{9}\)）。
每组光谱大约一个小时就足够了，而且预先钻好的铝板可以快速切换。 因此，一晚可以拍摄多达5000张光谱（前提是天气足够好）。
星系调查绘制了比以往任何时候都更全面的天空地图，使天文学家能够根据一系列令人印象深刻的真实数据来测试他们对大规模结构和星系演变的想法。
斯隆调查记录的信息让人难以置信。 数据以每秒 8 兆字节的速度输入（这意味着每秒 800 万个单独的数字或字符）。 在项目过程中，科学家记录了超过15 TB或1.5万亿字节，他们估计这与国会图书馆包含的信息相当。 即使在我们的信息时代，组织和整理如此大量的数据并提取其中包含的有用科学结果也是一项艰巨的挑战。 与许多其他领域一样，天文学现在已经进入了 “大数据” 时代，需要超级计算机和先进的计算机算法来高效地筛选所有这些万亿字节的数据。
应对如此庞大的数据集挑战的一个非常成功的解决方案是转向 “公民科学” 或众包，这是SDSS帮助开创的一种方法。 人眼非常擅长识别形状之间的细微差异，例如两个不同的螺旋星系之间的细微差异，而计算机通常无法完成这样的任务。 当斯隆项目的天文学家想要在新图像中对数百万个星系中的一些星系的形状进行分类时，他们启动了 “Galaxy Zoo” 项目：为世界各地的志愿者提供了一个简短的在线培训课程，然后向他们提供了几十张星系图像以供按眼睛进行分类。 该项目取得了巨大成功，超过10万名志愿者对星系进行了超过4000万次分类，并发现了全新的星系类型。
详细了解如何在这项公民科学工作中参与星系分类项目。 该计划是一系列 “公民科学” 项目的一部分，这些项目使各行各业的人都能参与专业天文学家（以及越来越多的领域的学者）需要帮助的研究。
关键概念和摘要
不同方向的星系数量表明，大规模的宇宙是同质和各向同性的（除了随着时间的推移而发生进化变化外，到处都是一样的，所有方向都一样）。 各地宇宙的相同性被称为宇宙学原理。 星系以星团的形式组合在一起。 银河系是 Local Group 的成员，该组包含至少 54 个成员星系。 丰富的星团（例如处女座和昏迷）包含成千上万个星系。 星系团通常与其他星团组合在一起，形成称为超级星团的大型结构，其延伸距离可达数亿光年。 星团和超级星团存在于丝状结构中，这些结构很大，但只占空间的一小部分。 大部分空间由超级星团之间的巨大空隙组成，几乎所有星系都限制在总体积的10％以下。
词汇表
- 宇宙学原理
- 假设在大规模上，任何给定时间的宇宙在任何地方都是一样的 —— 各向同性且同质
- 同种族的
- 物质的分布一致、均匀，在任何地方都是一样的
- 各向同性的
- 四面八方
- 本地群组
- 我们的银河系所属的一小群星系
- 超级集群
- 星系群和星团更加集中的广阔空间区域（跨度超过1亿光年）；星系团群
- 空虚
- 星系星团和超级星系团之间的区域，看上去相对没有星系