宇宙中的最大结构，发出神秘的光芒

本文来自微信公众号：原理 （ID：principia1687），作者：不二北斗，头图来自：《三体》

宇宙的网 

宇宙网是宇宙在最大尺度上的样子。星系被拉到一起，形成星系团；星系团与星系团之间被巨洞隔开，与此同时也被一些纤维状的细丝连接。这些细丝，以及充满了气体和星系的星系团，交织形成了庞大的宇宙网。

在20世纪60年代，科学家就预测了这种横跨宇宙的网络结构。到了80年代，计算机模型开始模拟这个巨大网络的真实面貌。在过去的几十年里，科学家已经可以通过天文望远镜进行大型的巡天调查，绘制出宇宙网中星系的位置和密度，进而为天文学中一些最重大、最基本的问题提供线索。

磁场与激波  

磁场是众多天文学家感兴趣的一个关键问题。从行星到恒星到星系之间的最大空间，宇宙中遍布着磁场。然而，宇宙磁场的许多方面仍没有被理解，尤其是在宇宙网的尺度上。

我们已经知道，宇宙磁场是由运动中的高能粒子产生的，反过来，磁场也会引导这些粒子运动。现有的理论认为，在引力的牵引下，星系团并合，纤维状的细丝碰撞，会产生一种巨大的激波，这种激波会加速粒子，增强星系间的磁场，并产生一种可以用射电望远镜观测到的辉光。

宇宙网的模拟图，沿着纤维状细丝和星团周围的激波在穿过磁场（青色）时，会发出微弱的射电辉光（粉红色）。（图/F. VAZZA， D. WITTOR AND J. WEST）

过去，天文学家只在星系团的碰撞中观测到过这样的射电激波，虽然他们相信这样的激波也存在于小星系群的周围，以及连接着它们的宇宙纤维中，但他们从来没有真正直接探测到这样的射电辉光。

这是因为，这些辉光非常微弱，而且星系本身发出的光要远远强于这些信号，会让这些微弱的射电信号更加微不足道。更糟糕的是，用于探测的望远镜本身的噪声，也通常比这些射电辉光大上很多倍。

现在，在一项发表于《科学进展》的新研究中，一个国际天文学家团队报告称，他们用一种巧妙的方法，首次在成对的星系团周围，以及连接着它们的宇宙纤维状细丝中，观测到了这样的激波。

叠加信号  

在新的研究中，研究人员没有直接观测射电激波，而是使用了一种被称为“叠加”的技术。这种方法可以将许多微弱的天体的图像进行叠加和平均，以此达到降低信号的噪声并将平均信号增强到噪声以上的目的。

将许多图像叠加在一起，可以使目标信号比背景噪声更亮。（图/Tessa Vernstrom）

2021年，同样是这个研究团队的科学家，就在一篇发表于《皇家天文学会月刊》的论文中首次提及了这种方法。当时，他们用这种方法对来自西澳大利亚州的默奇森大视场射电阵和新墨西哥州的欧文斯谷射电天文台的数据进行了分析。

西澳大利亚的默奇森大视场射电阵。（图/Dragonfly Media）

那时，他们做出了一个令人兴奋的发现：在成对的星系团之间，出现了射电辉光！

然而，由于这一发现源自于许多星系团的平均值，每个星系团都包含许多星系，因此很难确定这一信号是来自宇宙磁场，还是星系等其他来源。

偏振的射电光 

为了识别这些信号是否来自磁场，这次，研究人员选择了一种有着更低的背景噪声的信号——偏振射电光。‍‍‍‍‍

通常情况下，湍流的存在会使得星系团中的磁场紊乱。然而，激波会迫使磁场变得有序，这意味着它们发出的射电辉光是高度偏振的。普通星系发出的信号偏振率只有5%或更低，而激波发出的信号的偏振率可达30%或更高。

在模拟的宇宙网中，通过结合许多观测到的射电图像所能生成的画面。（图/F.Vazza， D.Wittor， J.West）

因此，在最新的研究中，研究团队决定在偏振的射电信号上进行叠加。这次，他们使用了全球磁离子介质巡天以及普朗克卫星收集到的海量射电图像，这二者都是几乎覆盖了整片天空的巡天项目，并同时拥有偏振的和常规的射电数据。

研究人员在成对的星系团周围，探测到了非常清晰的偏振光环。这意味着星系团的中心是消偏振的——这与预计相符，因为它们处于非常动荡的环境；而在星系团的边缘，由于激波的存在，磁场是有序排列的，因而可以看到清晰的偏振光环。

叠加的成对的星系团的画面：竖直排列的两个黑点是两个星团，由于湍流它们表现出了消偏振，而外部区域和星系团之间的区域都高度偏振。（图/Tessa Vernstrom）

研究人员将这一结果与目前最优的宇宙网模型进行了对比，发现他们的观测数据与模拟非常吻合。

在不同的宇宙时期重复观测  

这一发现不仅证实了现有的宇宙网模型的预测，还利用偏振射电信号，为渗透在宇宙网中的磁场提供了一个直接的观测机会。这是一项重大的突破。

研究人员表示，未来，他们希望能在宇宙历史的不同时期重复开展这种观测。探测和研究这种辉光，不仅可以证实有关宇宙大尺度结构是如何形成的理论，而且也有助于解答关于宇宙磁场及其意义的问题。

参考资料：

https://theconversation.com/the-largest-structures-in-the-universe-are-still-glowing-with-the-shock-of-their-creation-199785

https://www.icrar.org/polarised-shockwaves/

https://www.sciencenews.org/article/shock-waves-shaking-universe-first

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade7233

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