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小行星和彗星撞击行星,恒星发生爆炸或者被黑洞撕裂

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发表于 2016-3-17 00:15:13 | 显示全部楼层 |阅读模式

太空是一个狂暴的地方:小行星和彗星撞击行星,恒星发生爆炸或者被黑洞撕裂。

但是,从规模来看,也许没有什么能比星系团之间的碰撞更为猛烈的了。

宇宙中的这些团块通常都包含几百个星系,每个星系都有数十亿至数万亿颗恒星,是引力将它们捆绑在一起。当一个星系团距离另一个星系团很近时,两个星系团间的引力会猛烈地将它们拉到一起。随之发生的碰撞是巨大的,会产生比大爆炸以来任何其他事件都要多的能量。

最大以及最著名的一个实例就是子弹星系团大碰撞,碰撞涉及两个星系团,总共1000多个星系。这次撞击非常强烈,形成了巨大的子弹形冲击波,因而得名。

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子弹呈系团

撞击的残迹的确给人以深刻的印象。但是,天文学家并非只是围观看热闹。他们发现,这次撞击揭示了看不见的东西:暗物质。

人们认为暗物质是将星系团结合在一起的“胶”,是它形成了整个宇宙中恒星、气体和星系的引力基础。

多亏了子弹星系团大碰撞,科学家得以看清楚这种神秘的东西。这次碰撞暴露了暗物质,将其与恒星和气体等常规物质分开,给我们提供了一条暗物质真正存在的直接证据。

美国加利福尼亚大学戴维斯分校的天体物理学家马鲁萨·布拉达克说:“在宇宙中,这是我的最爱。”

这并不仅仅因为它告诉了科学家有暗物质存在。该星系团是一个万能的工具,可以帮助研究人员研究曾经存在的最早的星系。它也是一个宇宙实验室,通过它,物理学家能够研究被称为等离子体的带电热气的基本行为。


子弹星系团位于南方星空,距离地球37亿光年,是由两个星系团以大约每小时1000万千米的高速撞击形成。虽然按人类的标准来看这的确很快,却仍没有打破宇宙中的任何纪录(有些恒星的运行速度更快)。但由于它们的体积庞大,这次碰撞非常有力。

发生碰撞的两个星系团,一个的质量是太阳的1000万亿倍,另一个的质量是太阳的100万亿倍。这样的两个重量级选手相互撞击,组成它们的热气升温至2亿摄氏度,这就形成了子弹星系团这个已知的最热的星系团。

我们就像观众一样,坐在它们的旁边观看研究人员估计,这次撞击的总能量大约是1022焦耳,这显然是一个让人感到荒谬的能量。它相当于6万亿个太阳自宇宙诞生以来(约138亿年)燃烧产生的所有能量。

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整个撞击无论从时间还是空间来说都是超级巨大的。今天我们看到的碰撞实际上已经持续了1.5亿年,仍需20亿年才能尘埃落定。它让天文学家能够得到碰撞发生过程中史无前例的一瞥。

虽然子弹星系团的巨大质量和能量肯定使其与众不同,但是更为独特的是它的方向。碰巧的是,这次碰撞与我们的视线正好垂直。美国芝加哥大学天体物理学家安德雷·克拉夫佐夫说:“我们就像观众一样,坐在它们的旁边观看。”

天文学家坐在最佳位置,可以对该碰撞展开更为精确的观测。

经过两年的跟踪观测后,2006 年,布拉达克和美国俄亥俄大学的道格拉斯·克劳伊牵头的一个天文学家小组对哈勃空间望远镜和钱德拉X射线天文台获得的新数据进行了分析,对星系团中的正常物质进行了定位。

星系团中的绝大多数正常物质由气体构成。因为该星系团巨大,其引力对气体分子作用很强,可加快其速度,使其发热,因而放射X射线。碰撞的星系团使气体进一步升温,产生更多的X射线。这意味着X射线能够向天文学家揭示大多数正常物质在星系团中的位置。


天文学家首次探测到暗物质


然后,利用哈勃空间望远镜的数据,研究人员就能够绘制星系团质量的方位。无论是正常物质还是暗物质,只要它有质量,就有引力,它的引力就能够使背景中的星系发出的光弯曲。质量越大,透镜的功能就越强,光就会被更多地翘曲。

把这些观测结果放在一起,天文学家发现子弹星系团大约80%的质量集中在一个区域,但这个区域无论是X射线还是其他什么类型的光都不是最强的。如果这一大块质量不是气体,那么它一定是暗物质。

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通常,像气体和恒星这样的正常物体镶嵌在暗物质巨大的光环之中,引力将其结合到一起。但是,像形成子弹星系团那样的碰撞可以把它们撕开。

当两个星系团相撞时,它们的气云相撞并相互降低对方的速度。可是,暗物质几乎不与任何物质相互作用,只是天马行空,所以在星系团相撞后,它们会像鬼魂一样穿越对方,身后留下气体。天文学家碰巧捕捉到了处于碰撞中期的子弹星系团,他们的测量抓住了暗物质开始甩开气体的那一瞬间,所以首次探测到了独处的暗物质。

我们观测到的质量的特性显然不像已知的地球上的任何东西暗物质这个概念并不新鲜。从20世纪30年代开始,科学家就提出了其存在的假说。

虽然多数人认为它真的存在,但是所有的证据都是间接的。例如,有些星系旋转速度很快,所以应当会飞离。像暗物质这样的东西一定是紧随恒星,把星系捆绑在一起。然而,没有直接证据,那么这种东西是否真的存在就不那么确定了。

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有些研究人员暗示,解释那些令人好奇的现象无须用一种神秘的物质。他们说,也许是引力定律错了,引力在大尺度上的表现会不同。如果对引力定律加以修改,就能解释暗物质的怪异现象。

布拉达克说:“可是我们在子弹星系团大碰撞中观测到的质量的特性很显然不像已知的地球上的任何东西。”那些经过改进的引力理论不能解释为什么最大质量不在气体最多的地方。“因为显然不在一起,修改引力定律的所有理论基本上都被排除了”。

有些人仍然认为,有一种未知的中微子能构成子弹星系团中看不见的质量。但是,这仍然是少数人的观点。克拉夫佐夫说:“天文学界大多相信,这是有关暗物质的最强有力的证据。”


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但是,仅仅知道暗物质存在还不够,科学家想知道暗物质是什么。他们假设暗物质一定是由全然未知的某种或某类粒子构成,不与正常粒子相互影响或产生任何射线,以此解释它们为什么那么难于辨识。事实上,多数受人欢迎的理论认为,这些暗物质粒子之间也不发生相互作用。

研究人员仍需要探测到这类粒子的存在。他们说,暗物质粒子也许能够发生自我作用,像台球一样碰撞并相互弹跳。

我们可以给暗物质的特性确定一个数字如果暗物质自身相互作用,这种作用力有多强?确定暗物质是否相互作用的一个方法就是粒子碰撞。在暗物质粒子碰撞时,是干脆相互穿越,还是发生弹跳?


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科学家很幸运,他们无须费事建立暗物质粒子对撞机,因为那些碰撞正在子弹星系团中自然发生。这两个正在融合的星系团被镶嵌在暗物质的光环中,因此当星系团对撞时,暗物质也对撞。

截至目前的观测表明,在子弹星系团中,暗物质自身似乎不大相互作用。但这并不一定意味着暗物质不会发生相互作用,而是相互作用的力度有限。布拉达克说,因为明显观察到碰撞的发生,而且也得到了很好的界定,子弹星系团提供了一些最佳数据,“我们实际上可以给暗物质的特性确定一个数字。以前从来没有真正这样做过”。随着研究人员继续改进他们的子弹星系团计算机模拟,我们能够更详细地算出目前发生的情况,甚至更好地测量暗物质的特性。


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当然,这仍然需要其他数据。布拉达克参与了基地设在美国的研究小组,研究其他 25个星系团的碰撞。他们希望能够确切知道暗物质自身是否相互作用。

这是我们看到的为数不多的、明显的宇宙冲击案例之一虽然暗物质使子弹星系团闻名于世,但事情并非仅此而已。实际上,布拉达克越过了该星系团,探测的是它后面的星系。

这个星系团非常巨大,其引力使背景星系释放的光弯曲。这种引力透镜效应将子弹星系团变成了一面巨型放大镜,让天文学家更清楚地看到背景星系。

那些遥远的背景星系很重要,因为它们是宇宙最早形成的一部分。子弹星系团让人们瞥见年轻的宇宙以及星系如何形成。

至于子弹星系团本身,物理学家正借助它来理解被称为等离子体的荷电热气的基本表现。它是两个星系团产生巨大冲击波的一个独特实例。克拉夫佐夫说:“这是我们看到的为数不多的、明显的宇宙冲击案例之一。”

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太阳系也有这样的碰撞发生。太阳喷射出带电粒子,被称为太阳风。这些粒子撞击地球的磁气圈(地球磁场形成的保护性气泡)时,就会产生碰撞。

今后的若干年里,通过这些工具会发现几万个星系团与一个星系团相比,太阳系的等离子体密度更大,而且还有强大的磁场。但是,尽管存在这样的差异,研究子弹星

系团中的等离子体仍有助于认识太阳系及其他空间的等离子体。

显然,子弹星系团极其有用。克拉夫佐夫说,这样的星系团相对稀罕,如此巨大的星系团只会在其整个生命中体验到一两次巨大的碰撞。

现在,天文学家正在通过位于智利的两台望远镜——布兰科望远镜上的暗能相机和阿塔卡马宇宙望远镜——扫视天空,来搜寻更多的星系团。通过这些观察,他们将找到更多、更大的星系团(据估计,宇宙中可能有几十万个质量超过太阳1万亿倍的星系团)。

当然,在此之前,子弹星系团仍然独一无二。


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