宇宙中最大的结构仍然因其创造的震撼而发光

2025-10-31 08:34探索百科

据美国物理学家组织网（by Tessa Vernstrom and Christopher Riseley, The Conversation）：在最大的尺度上，宇宙是有序的网状模式:星系被拉在一起形成星系团，星系团由细丝连接，由空洞分隔。这些星团和细丝包含暗物质，以及气体和星系等常规物质。

我们称之为“宇宙网”，我们可以通过用光学望远镜进行的大型调查来绘制星系的位置和密度，从而看到它。

我们认为宇宙网也渗透着磁场，磁场是由运动中的高能粒子产生的，并反过来引导这些粒子的运动。我们的理论预测，当重力将细丝拉在一起时，它会引起冲击波，使磁场变得更强，并产生可以用射电望远镜看到的辉光。

在科学进展发表的新研究中，我们首次观察到了成对星系团周围的冲击波以及连接它们的细丝。

过去，我们只观测到这些直接来自星系团碰撞的无线电冲击波。然而，我们相信它们存在于小星系群周围，以及宇宙细丝中。

我们对这些磁场的了解仍然存在差距，例如它们有多强，它们是如何进化的，以及它们在这个宇宙网络的形成中扮演了什么角色。

探测和研究这种辉光不仅可以证实我们关于宇宙大尺度结构如何形成的理论，还可以帮助回答关于宇宙磁场及其意义的问题。

挖掘噪音

我们预计这种射电辉光既非常微弱，又分布在很大的区域，这意味着直接探测它非常具有挑战性。

更重要的是，星系本身要亮得多，可以隐藏这些微弱的宇宙信号。更困难的是，我们望远镜发出的噪音通常比预期的射电辉光大很多倍。

由于这些原因，我们不能直接观察这些无线电冲击波，而是必须发挥创造力，使用一种叫做叠加的技术。这是指将许多太暗而无法单独看到的物体的图像进行平均，从而降低噪声，或者说增强噪声之上的平均信号。

将许多图像叠加在一起可以使感兴趣的信号比背景噪声更亮。Credit: Tessa Vernstrom, Author provided

那么我们堆叠了什么？我们发现超过600，000对星系团在太空中彼此靠近，因此很可能通过细丝连接在一起。然后我们将它们的图像排列起来，这样来自星团或它们之间区域的任何无线电信号——我们预计冲击波会在那里——就会叠加在一起。

我们在2021年发表的一篇论文中首次使用了这种方法，数据来自两台射电望远镜:西澳大利亚的Murchison Widefield阵列和新墨西哥州的Owens Valley射电天文台长波长阵列。之所以选择这些卫星，不仅是因为它们几乎覆盖了整个天空，还因为它们在低无线电频率下工作，在这种频率下，信号预计会更亮。

在第一个项目中，我们有了一个激动人心的发现:我们发现了一对星团之间的辉光！然而，因为它是许多星团的平均值，所有星团都包含许多星系，所以很难确定信号来自宇宙磁场，而不是其他来源，如星系。

“令人震惊”的揭露

通常情况下，星系团中的磁场会因为湍流而变得混乱。然而，这些冲击波迫使磁场有序，这意味着它们发出的射电辉光是高度极化的。

我们决定在偏振射电图上进行叠加实验。这有助于确定引起信号的原因。

来自规则星系的信号只有5%或更少的偏振，而来自冲击波的信号可以有30%或更多的偏振。

在我们的新工作中，我们使用了来自全球磁离子介质巡天以及普朗克卫星的无线电数据来重复这个实验。这些巡天几乎覆盖了整个天空，既有偏振的也有常规的射电图。

我们在星团对周围探测到非常清晰的偏振光环。这意味着星团的中心是去极化的，这是意料之中的，因为它们是非常动荡的环境。

然而，在星系团的边缘，磁场由于冲击波而变得有序，这意味着我们看到了这个偏振光环。

我们还发现星系团之间有过量的高偏振光，比你想象的仅仅来自星系的要多得多。我们可以把这解释为来自连接细丝的震动的光。这是第一次在这种环境中发现这种排放。

我们将我们的结果与最先进的宇宙学模拟进行了比较，这是同类模拟中第一次不仅预测了无线电发射的总信号，还预测了偏振信号。我们的数据与这些模拟非常一致，通过结合它们，我们能够理解早期宇宙遗留下来的磁场信号。

将来，我们希望在宇宙历史的不同时期重复这种探测。我们仍然不知道这些宇宙磁场的起源，但像这样的进一步观察可以帮助我们弄清楚它们来自哪里以及它们是如何演变的。