科学家耗时10多年细绘氢地图 探秘银河系

不过，10月23日，欧洲《天文与天体物理学》杂志发表的一篇论文称，澳大利亚和德国科学家利用分别位于南北半球的两架大型全可动射电望远镜，绘制了更为详细银河系中性氢地图，首次揭示了银河系恒星际气体的结构细节，有助于解释银河系形成的奥秘。

更详细的“地图”

此次公布的银河系中性氢地图源于一项被称为HI4PI的计划，由澳大利亚和德国科学家共同完成，耗时超过10年，研究成果覆盖了超过100多万次的单独观测以及大约100亿个单个数据点，深度呈现了包含太阳系在内的银河系内部与周围的所有中性氢数据。

“HI是天文学中对氢原子的称呼，也就是中性氢。PI则是圆周率 派 ，4PI是指弧度制下全天立体角的数值，也就是全天所有方向、不留 死角 的意思。”中国科学院国家天文台、西澳大学国际射电天文研究中心在读博士刘博洋在接受《中国科学报》记者采访时对HI4PI做出了解释。

“这并不是第一次绘制出氢地图。”中国科学院国家天文台研究员陈学雷告诉《中国科学报》记者。

从上世纪80年代末开始，荷兰和阿根廷的科学家就通过位于架在两个国家的射电望远镜进行了观测，并且绘制过一张氢原子气体地图。之所以由两个国家进行合作，是因为在北半球的观测地点只能看到靠北的天空，而南半球的观测点才能观测到南天星空。“之后再将两部分观测数据进行结合。在赤道部分，两个观测点的数据会有重合。”刘博洋说道。

不过，因为当时观测条件有限，使用的望远镜口径分别为25米和30米，绘制的地图也并不清晰。“分辨率与口径成正比，而收集光子的效率跟口径的平方成正比。”刘博洋解释。

而分辨率的高低决定了观测的清晰程度。“分辨率越高，看得越细致。”陈学雷补充道。

此次公布的银河系中性氢地图，使用的是位于德国埃费尔斯贝格的100米直径马克斯普朗克射电望远镜，以及位于澳大利亚的64米帕克斯射电望远镜产生的数据。“这比之前公布的地图，在空间分辨率上提高了一倍，噪声也降低了50%以上。不过，速度分辨率比之前那个稍差，基本持平。”刘博洋继续解释其中的专有名词，“在天文学中，对于天体的描绘也是三维的，不过与地球上理解的三维不同。除了天空这个球面的二维，还有速度这个维度，我们可以依靠相对运动速度来辅助判断，区分天体的远近。”

了解宇宙的基础

当然，在宇宙中，氢家族并非只有中性氢一种。“一个氢原子核加一个电子的组合被称为中性氢，也就是HI。其中I就是罗马数字中的Ⅰ。”刘博洋解释说，两个氢原子在一起则被称为氢分子，“它们是氢原子在尘埃表面结合形成的，这通常发生在氢原子云密度较大的地方，那里氢原子云会演化成氢分子云。最后就会形成恒星。”

还有一种存在形式就是，氢原子中的电子如果被光子“拐走”，被电离后的氢离子为主的区域，被称为电离氢区（HⅡ区）。

中性氢并不容易被观测到，直到科学家发现氢的21cm谱线辐射，这也是天文学的专有名词。众所周知，在目前已经发现的化学元素中第一号元素为氢元素。中性氢原子的电子自旋与原子核的自旋相比有两种取向，即平行和反平行，前者的能量高于后者，这会产生一个分裂的能级。当一个电子从能量较高的能级跃迁到能量较低的能级时，就会发出一个频率为1420.406兆赫兹的光子，这就是21cm氢谱线辐射。

在宇宙中，除了地球上肉眼可见的星星，还有一些尘埃和气体等星际物质，它们并不都能在可见光波段被观测到。因此，要想通过地球上的光学手段全面观测这些物质非常困难。不过，它们之中的氢原子气体却可以发出21cm谱线辐射，所以21cm谱线成了研究星际中性氢原子分布、银河系和河外星系结构的重要手段。

21cm谱线观测设备的先进与否，决定了科学家观测到的宇宙物质分布的细节多寡，进而影响后续研究的相关结论。“此前的同类观测空间分辨率有限，所以一些细节没有分辨出来。这次巡天的灵敏度和分辨率更高，提供更多的细节。”紫金山天文台研究员郑宪忠告诉记者，“这样可以更好地研究原子气体与分子气体的分布关联，为研究恒星的形成奠定基础。”

追寻银河的历史

“在宇宙早期的黑暗时期，第一代天体尚未形成，宇宙中的物质以中性氢和氦原子构成。随着星系的形成，中性氢原子很快被电离为质子与电子，宇宙变得透明。”郑宪忠介绍道。这种变化破坏了中性氢21cm辐射与宇宙微波背景辐射的平衡，让人类有机会观测到来自中性氢的辐射。这些信息可以让天文学家们得到宇宙中诞生的第一批发光天体的宝贵信息，进而描绘出宇宙从黑暗时期走向光明时代的过程，将第一代恒星诞生的历史补充完整。

为了尽快追寻银河系的本源，除了正在进行的HI4PI项目，目前国际上还有一项名为平方公里阵列（SKA）的射电干涉阵计划也在推进中。“我国也参与其中，这是由科技部资助的大型国际合作研究计划。有望在普查近邻和遥远宇宙中原子氢大尺度分布，以及在宇宙如何再电离等重大科学问题上取得突破成果。”郑宪忠表示。

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