Cosmic Web Imager观看星际媒介，直接观察“暗物质”

用Cosmic Web Imager观察到的Lyman alpha斑点的比较，以及基于理论预测的宇宙网模拟。

使用Cosmic Web Imager，加州理工学院的天文学家获得了星系间媒体的第一张三维图片。

加州理工学院的天文学家已经使用由加州理工学院设计和制造的Cosmic Web Imager拍摄了史无前例的星际介质（IGM）图像，该气体是连接整个宇宙中星系的扩散气体。到目前为止，IGM的结构基本上只是理论上的猜测。但是，通过部署在Palomar天文台Hale 200英寸望远镜上的Cosmic Web Imager的观测结果，天文学家正在获得IGM的第一张三维照片。Cosmic Web Imager将使人们对银河系和银河系之间的动力学有了新的认识，并且它已经探测到一种正在制造的旋涡星系，它的体积是我们银河系的三倍。

Cosmic Web Imager由Caltech物理学教授Christopher Martin构思和开发。马丁说：“自从我读研究生以来，我就一直在考虑星际介质。”“它不仅构成了宇宙中大多数正常物质，而且还是星系形成和生长的媒介。”

自1980年代末和1990年代初以来，理论家已经预测到，来自大爆炸的原始气体并不是均匀地分布在整个空间中，而是分布在跨越星系并在它们之间流动的通道中。这种“宇宙网”（IGM）是由越来越细的细丝组成的网络，它们在广阔的空间中相互交错，并穿越时空，回到一个星系首次形成，恒星快速产生的时代。

使用加州理工学院的Cosmic Web Imager拍摄的类星体（QSO 1549 + 19）图像，显示周围的气体（蓝色）和丝状气体的流入方向。

马丁将IGM的扩散气体描述为“暗物质”，以将其与恒星和星系的亮物质以及组成整个宇宙大部分的暗物质和能量区分开。尽管您可能在阳光明媚的晴天甚至是星光灿烂的夜晚都不这么认为，但宇宙中96％的质量和能量都是暗能量和暗物质（首先由Caltech的Fritz Zwicky于1930年代推断），我们知道它们的存在仅仅因为它对我们可以看到的剩余4％的影响：正常物质。在这4％的正常物质中，只有四分之一是由恒星和星系组成的，这些明亮的物体照亮了我们的夜空。IGM是剩下的，仅占宇宙万物的3％。

正如马丁在IGM上的名字所暗示的那样，“昏暗的事物”很难被看到。在开发Cosmic Web Imager之前，IGM主要是通过前景光的吸收来观测的，这表明物质存在于地球与遥远的物体（如类星体（年轻星系的原子核）之间）之间。

“当您观察我们与类星体之间的气体时，您只有一条视线，”马丁解释道。“您知道有些气体距离较远，有些气体距离较近，而中间有一些气体，但没有有关该气体如何在三个维度上分布的信息。”

Matt Caluszewski是Caltech的一名前研究生，曾帮助构建Cosmic Web Imager，现在是Caltech的仪器科学家，他将这种视线视图比喻为通过墙上的几个狭缝观察复杂的城市景观：“您所知道的是，有一些混凝土，窗户，金属，人行道，也许偶尔会出现一些闪光。只有打开缝隙，您才能看到有建筑物，摩天大楼，道路，桥梁和汽车以及在街上行走的人。只有拍照，您才能了解所有这些组件如何组合在一起，并知道您正在看一座城市。”

马丁和他的团队现在已经看到了暗物质之城的第一眼。它没有到处都是摩天大楼和桥梁，但在视觉和科学上都令人兴奋。

Cosmic Web Imager观察到的第一批宇宙细丝在两个非常明亮的物体附近：一个标记为QSO 1549 + 19的类星体和一个新兴的星系星团（称为SSA22）中的所谓Lyman alpha斑点。马丁选择这些物体作初始观察是因为它们很亮，可以照亮周围的IGM并增强其可检测信号。

观测结果表明，一条长百万米光年的细丝流入类星体，这可能助长了容纳类星体的星系的生长。同时，Lyman alpha斑点周围有三根细丝，经测量的自旋表明这些细丝中的气体正在流入该斑点并影响其动力学。

Cosmic Web Imager是一台光谱成像仪，可以同时在许多不同的波长下拍照。这是研究天文物体的有力技术，因为它不仅可以看到这些物体，而且可以了解它们的组成，质量和速度。在宇宙网长丝的预期条件下，氢是主要元素，并以称为Lymanα的特定紫外线波长发射光。地球的大气层会阻挡紫外线波长的光，因此需要从卫星或高空气球上观察到，以观察Lyman alpha信号。

但是，如果Lymanα发射距离我们很远（也就是说，它是从宇宙中更早的时间到我们身边的），那么它到达的波长更长（这种现象称为红移）。这会将Lyman alpha信号带入可见光谱，使其可以穿过大气层，并被Cosmic Web Imager等地面望远镜检测到。

Cosmic Web Imager观测到的物体可以追溯到大爆炸之后大约20亿年，大爆炸是星系中恒星快速形成的时间。马丁说：“就Lyman alpha blob而言，我们正在寻找一块巨大的原银河系盘。直径近30万光年，是银河系的三倍。”

Cosmic Web Imager由NSF和Caltech资助。马丁小组已经在Palomar天文台成功部署了该仪器，现在正在开发一种更灵敏，用途更广泛的Cosmic Web Imager，供夏威夷的莫纳克亚山顶的W. M. Keck天文台使用。“我们在类星体和莱曼阿尔法斑点周围看到的气态细丝和结构异常明亮。我们的目标是最终能够在任何地方看到平均星系间媒介。很难，但我们会到达那里。”马丁说。

还正在计划从高空气球FIREBALL（淡银河系红移发射气球）上的望远镜观察IGM的计划；以及来自ISTOS（起源调查的成像光谱望远镜）的卫星。由于绕开了我们大部分（如果不是全部）大气层，这两种仪器将使我们能够观测到更接近我们的莱曼α辐射，从而也可以观测到IGM。也就是说，它们来自宇宙的近代时代。

在《天体物理学杂志》上发表了两篇描述Cosmic Web Imager初始数据的论文：“使用Cosmic Web Imager进行星系间媒介观测：I. QSO 1549 + 19的Circum-QSO介质，以及丝状气体流入的证据”和“使用Cosmic Web Imager观测银河系之间的介质：二。在SSA22 Ly Blob 2附近发现了扩展的，运动学α相关的排放。”Cosmic Web Imager主要由三名加州理工学院的研究生（已故的达芙妮·张，马图斯维斯基和Shahinur Ra​​hman）以及加州理工学院的首席研究科学家帕特里克·莫里西（Patrick Morrissey）共同创建。其他合著者是马丁，安娜·摩尔，查尔斯·史泰德和松田雄一。

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图片：克里斯托弗·马丁，罗伯特·赫特