銀河系平面背後有什麼?我們如何看穿銀河系?

2019-11-25     量子科學論

「我們都在陰溝里,但仍有人仰望星空。」——奧斯卡·王爾德

每當我們眺望宇宙時,我們的視野總是被銀河系內的恆星所主宰,也就是說我們肉眼能看到的恆星基本都在銀河系之內。但在銀河系之外,宇宙中有無數的球狀星團、單個星系、豐富的星系團和超星團,但我們身處在銀河系裡視野會受到很大的影響。這是因為從我們所處的位置來看,銀河系占據了頭頂天空的20%。那麼問題來了:銀河系平面後面有什麼?我們如何看穿銀河系?

黑暗的塵埃帶遮蔽了我們的雙眼

上圖可以看到,銀河系本身的平面就遮住了20%的夜空。白色明亮的部分實際上是銀河系內數十億顆恆星發出的光,從我們的角度來看,這些恆星發出的光混合在一起,異常明亮,這些可見光也會遮蔽附近的天體,而黑色暗帶更糟糕,它實際上是恆星前景中由氣體和塵埃組成的中性氣體雲,它們可以完全擋住後面恆星的星光。至少在肉眼可見的波長範圍內,我們什麼也看不到。

很長一段時間以來,銀河系平面的存在使我們看不到隱藏在它後面的任何天體。這20%的天空,就是我們的視野盲區,而我們在其他的方向上卻發現了越來越多的星系和星雲。今天,如果我們還是把自己的視野限制在可見光的範圍內,這條黑暗帶永遠都不可能看穿。不過我們現在在觀測方面已經掌握了更多的方法,這難不倒我們。

紅外波段下的全天空圖像

藉助COBE衛星的DIRBE儀器,上圖是第一張用紅外線拍攝的全天空的照片。(DIRBE中的「IR」代表紅外線。)在圖像中我們可以看到更多的恆星。而且會注意到遮光效果已經大大削弱了,這是因為阻擋可見光的「塵埃」實際上是比較微小的顆粒,而長波紅外光穿透這種微小顆粒的能力更強。在更長的波長上,2微米的全天空巡天望遠鏡(2MASS)為我們提供了一個更加清晰的圖像。下圖:

如圖所示,阻擋光線的氣體和塵埃實際上已經消失了。這是因為光能穿透哪些物體,高度依賴於物體本身的大小。這就是為什麼微波爐的門中間要加一層網,可以去廚房看下!這些網上的洞可以讓可見光很容易就會通過,但卻阻擋了烹飪和加熱食物的微波。

如前所述,由於銀河系中的塵埃顆粒,很容易吸收可見光,而紅外線則可以不受限制地通過這些塵埃。這取決於分子類型以及它們在星際介質中的結合方式。

而地球上的大氣層情況正好相反,可見光很容易穿過空氣分子和塵埃,而紅外線則會被大氣吸收。這就是為什麼越往高處越冷,而地面反而更熱。因為大地會吸收可見光,輻射出的紅外線會加熱地表的大氣。

因此,我們要想看到銀河系平面之外的物體,就不能用紅外望遠鏡從地球表面觀察,因為大氣層的紅外線遮光性能實在是太好了。要想超越銀河平面,窺探宇宙之外,我們只需將望遠鏡送入太空。

廣域紅外線巡天探測衛星所拍攝的全解析度銀河系中心全景圖

溫暖的氣體實際上會留下了一些紅外特徵,從WISE的紅外圖像中,我們可以看到綠色的全天馬賽克圖像。但是即使有溫暖氣體的遮擋,我們仍然可以從中找出隱藏在銀河平面背後大量的天體。如果我們放大上圖中的IC 342區域,就會發現許多非常有趣的特徵。

首先,IC 342本身就是夜空中最有趣的物體之一。從我們的角度來看,仙女座是我們所在的本星系群中最大的星系,緊隨其後的是三角座星系M33,它也位於我們所在的星系群之內。從我們的位置看到的第三大星系實際上是IC 342(圖像中心的左邊),但直到1895年才首次發現這個星系!WISE還用比這幅廣域拼接圖高得多的解析度對IC 342進行了成像。

當IC 342在1895年被首次發現的時候,我們還沒有紅外線望遠鏡這種東西,太空中當然也沒有紅外線望遠鏡,因為那時我們甚至還沒有發明出飛機!

所以這個星系可以在可見光中看到,但非常昏暗,部分被塵埃和前景輻射遮蔽。即使是哈勃太空望遠鏡,儘管其功能強大,也只能獲得一幅與WISE拍攝的紅外照片相比黯然失色的圖像。

上圖就是哈勃所拍攝的IC 342,塵埃不僅遮蔽了可見光,而且使可見光變得極為暗淡。雖然IC 342遠在本地星系群之外,距離我們約有1000萬光年。(大約是仙女座的5倍遠)如果銀河系不存在,那麼這個星系不僅會明亮而突出,而且很可能肉眼就能看到。

正是因為銀河系平面的存在,有成千上萬個星系,包括離我們最近的星系一直處於我們幾個世紀以來被阻擋的遮蔽區!

在 IC 342附近的同一天空區域,我們可以看到兩個突出的星系在我們銀河系的溫暖塵埃中閃爍。如果我們放大圖像,就可以看到一個扭曲的螺旋星系和一個巨大的橢圓星系。

這兩個星系分別被命名為梅菲 1(代表橢圓星系)和梅菲 2(代表螺旋星系),以它們的發現者、義大利天文學家和紅外先驅帕奧羅·梅菲(Paolo Maffei)的名字命名。這兩個本質上最亮的星系就在銀河系附近,並且梅菲 1是宇宙中離我們最近的巨型橢圓星系。

然而,直到1967年它們才首次被人們發現,這都是因為銀河系塵埃有強大的遮蔽能力!

哈勃拍攝的梅菲1和2

這兩個星系99.5%的可見光被銀河系所遮蔽;雖然梅菲1距離我們大約1000萬到1300萬光年,如果沒有銀河系梅菲 1(左上)絕對是肉眼可見。馬菲2肉眼肯定是看不見,它被遮擋的比較嚴重,但它本身還是很明亮的,而且與紅外線圖像相比,在可見光下是另外一種景象!

銀河系的塵埃和氣體掩蓋了我們對宇宙的看法,但是沒有什麼能阻擋我們看穿銀河系!如果我們想看到銀河系之外的東西,只要在紅外波段下觀察,宇宙就會向我們敞開大門!

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-cn/r_8Tom4BMH2_cNUgBSB7.html