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2016-10-15 可觀測宇宙中的星系數量是先前認為的10倍以上

 
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  宇宙比你原本想像的還要擁擠!天文學家根據利用哈伯太空望遠鏡和其他設備所進行的深空星系普查觀測,發現可觀測宇宙(observable universe)的星系數量是先前認為的至少10倍以上。這個結果明顯與星系演化有關,而且還可以幫助天文學家闡明一個舊有的天文爭議——奧伯斯佯謬(Olbers paradox):為什麼夜空會這麼暗?

  天文中最基礎的問題之一就是:宇宙中到底含有多少個星系?1990年代中期拍攝的哈伯深空區(Hubble Deep Field,HDF),讓天文學家得以首度窺視宇宙的星系族群。隨後進行的哈伯極深空區(Hubble’s Ultra Deep Field,HUDF)等更靈敏的觀測呈現出宇宙中有大量昏暗星系。天文學家根據這些觀測估計可觀測宇宙約含有2000億個星系。

  由英國諾丁頓大學(University of Nottingham)Christopher Conselice領軍的研究團隊分析哈伯深空觀測資料,以及其他團隊已經發表的資料,結果發現:在一小塊特定天區內的遙遠早期宇宙內,堆疊的星系數量比先前認為的還多10倍左右,其中絕大部分星系都很小且暗,其質量約與銀河系周遭的那些衛星星系相當。當它們合併成比較大的星系時,宇宙中的星系聚集的密度也隨之降低。這意味著宇宙歷史由古迄今,星系的分佈並不相同,換句話說,重點星系演化事件遍及整個宇宙歷史進程,透過合併過程大幅降低星系總數。而這也成為宇宙中的結構是由上至下形成的理論。

  Conselice等人是將哈伯深空資料和其他團隊已發表的資料轉化為3D影像,以便盡可能地精確估算不同宇宙時期的星系數量。此外,他們還採用新式數學模型,能讓他們推估那些現代望遠鏡無法觀測到的星系。因此,為了符合我們今日所見的星系數量和它們加起來的總質量,Conselice等人從模型結果推測:可觀測宇宙中約有90%以上的星系,是因為太暗、太遙遠,導致現代的望遠鏡無法觀測到。早期宇宙中這些數量龐大的小而暗的星系,會隨著時間,藉由合併而成長到如今所見的大型星系模樣。

  這個結論,讓Conselice等人好奇:這代表超過90%的昏暗小星系迄今尚未被研究過。誰知道到下一代新望遠鏡能觀測到這些星系時,會發現什麼樣的有趣性質?至少,將在近幾年發射升空的韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope)就能觀測研究那些超暗星系(ultra-faint galaxies)。

  星系數量隨時間逐漸減少的現象,對於解釋奧伯斯佯謬或有助益。奧伯斯佯謬於1800年代初期由德國天文學家奧伯斯(Heinrich Wilhelm Olbers)提出,其內容為:宇宙中存在著無數的恆星,每顆恆星都是一個太陽,那麼為什麼夜晚的天空還是這麼暗呢?

  Conselice等人認為:若從他們的研究結論來看,事實上雖然星系數量如此龐大原則上,無論往天空的哪一個方向都至少有一個星系,然而來自星系內的星光卻無法被人眼和絕大部分現代望遠鏡觀察到,乃是因為有其他因素會降低宇宙中的可見光和紫外光的量。這些因素,主要來自自然的宇宙膨脹導致光波波長往紅光方向移動,此外星系之間的塵埃氣體吸收光線,導致來自遙遠星體的星光被紅化(reddening of light)。這些,都讓我們的眼睛感覺不到這些來自遙遠宇宙的星光,所以夜空中所見的幾乎只有我們自己銀河系內的恆星,數量有限,夜空自然就是暗的。

資料來源:http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2016/39, 2016.10.13, KLC

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