山顶科学家们所使用的总星系天文学

第四章　遥无止境——总星系

天文学上把银河系和现在所能观测的河外星系合起来叫做总星系。它是现在人类所知道最高一级天体系统，也是目前人类所能观测到的宇宙部分。而总星系所包含的星系约在10亿个以上。也有人认为，总星系并不是一个具体的星系，也不像本星系群、本超星系团那样的天体系统，而是一个比星系更高一级的天体层次，它的尺度可能小于、等于或大于观测所及的宇宙部分。

宇宙

从现在人类的宇宙探测方法和手段可知，总星系的半径为200亿光年，年龄为200亿年。从目前的认识水平来说，包括这些星系在内的总星系物质，在运动和分布上是均匀的，也不存在任何特殊的方向和位置。也就是说，既没有发现总星系的核心和边缘，也没有发现运动的特殊趋向。总星系所含的物质中，最多的是氢，其次是氦。

总星系的结构和演化，是宇宙学研究的重要对象。有一种观点认为，总星系是200亿年以前在一次大爆炸中形成的。这种大爆炸宇宙学解释了不少观测事实，如元素的丰度、微波背景辐射、红移等。另一种观点则认为,现今的总星系是由更大的系统坍缩后形成的,但这种观点并不能解释微波背景辐射。

总星系

而对于总星系的半径，严格意义上讲是未知的。科学家通常所说的总星系半径，实际上指的是“哈勃”望远镜所能探测到的最大距离。“哈勃”半径目前被公认为140亿～150亿光年，而哈勃曾经在一次探测中探察到一个260亿光年外的射线源。这个新发现将会彻底改变人类目前对宇宙的认识和已经建立起来的宇宙科学体系。通过星系计数和微波背景辐射测量，证明总星系的物质和运动的分布在统计上是均匀和各向同性的，不存在任何特殊的位置和方向。

当前，总星系的结构、演化是宇宙学研究中的根本问题之一。

知识小百科

“宇宙眼”技术

“宇宙眼”技术是将前景星系的引力场当作一个超大的虚拟变焦透镜，利用前景星系去放大背景星系。该技术可以使得科学家们能够观测到更为遥远的宇宙空间。美国加州理工学院、英国杜伦大学和加迪夫大学的科学家们通过采用“宇宙眼”技术的望远镜，观测到了一个距离地球大约110亿光年的年轻星系，发现该星系正在不停地旋转并慢慢演化成一个螺旋形状。该星系似乎形成于宇宙大爆炸20亿年之后。

10米凯克望远镜

科学家们相信，他们的发现第一次揭示了遥远星系演化的规律，推断出该遥远星系演化成为形同银河系一样的螺旋状系统的整个过程。之所以将该望远镜称之为“宇宙眼”，是因为前景星系距离地球大约22亿光年，一眼看上去它好像是正处于一个更为遥远的星系所形成的弧线的中心。此外，宇宙眼的名称还源自“荷鲁斯之眼”的上古传说。这一遥远的星系最初是由哈勃太空望远镜发现并识别的。然后，科学家们又通过10米凯克望远镜，利用前景星系的引力场的放大效果，把这一遥远的星系放大了8倍。凯克望远镜坐落于夏威夷莫纳克亚山顶。科学家们所使用的技术，通常称为“引力透镜技术”，即利用超大的物体扭曲背景星系的光线，形成透镜放大效果。

知识小百科

著名科学家爱因斯坦曾经预言过“宇宙眼”这一新技术。利用引力透镜技术将背景星系放大后，科学家们能够确定遥远星系的内部速度结构，并将其与较晚形成的银河系作对比研究。美国科学家认为，重力为人们提供了一个额外的变焦透镜，使人们有能力研究更为遥远的星系，取样精度也比以前精细10倍。因此，就像观测银河系形成过程一样，人们可以第一次看到一个年轻的星系正在不停地旋转并慢慢演化成一个螺旋形的星系。最关键的是，人们利用这项技术可以向前追溯，甚至可以看到宇宙形成早期的模式。

星系

科学家的最新研究表明，宇宙形成初期的星系数量大大超过过去人们掌握的数字，这将对人们重新认识星系的形成产生重要影响。法国马赛天文物理实验室的科学家及其意大利同行，在观测中使用了一种名为“可见光多目标光谱仪”的仪器。根据红外光线强度的不同，天文学家发现了8000多个星系，并发现其中有约1000个是在宇宙大爆炸后的15亿年到40亿年内产生的。科学家认为，宇宙形成初期的星系数量比此前一些天文机构推测的数字要高出2到6倍。天文学家指出，天文学家通过研究这些遥远星系的成分及相互间距离，可以了解100亿到120亿年前的宇宙状况。这一发现还将使人们重新审视现有的星系形成与演变理论。

知识小百科

谱线红移

是指传递波在传递过程中所引起的频率红移，都是由传递波的介质而引起的。

多普勒效应

是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒而命名的，他于1842年首先提出了这一理论。

多普勒认为，物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高 (蓝移)。在运动的波源后面，产生相反的效应，波长变得较长，频率变得较低 (红移)。波源的速度越高，所产生的效应越大。根据光波红/蓝移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。恒星光谱线的位移显示恒星循着观测方向运动的速度。除非波源的速度非常接近光速，否则多普勒位移的程度一般都很小。所有波动现象 (包括光波) 都存在多普勒效应。