NASA的罗曼太空望远镜利用爆炸的恒星来解决重要的宇宙之谜

美国宇航局即将发射的南希-格雷斯-罗曼太空望远镜将看到数以千计的被称为超新星的爆炸性恒星,这些恒星横跨广阔的时间和空间。利用这些观测,天文学家旨在照亮几个宇宙之谜,为了解宇宙遥远的过去和朦胧的现在提供一个窗口。

NASA的罗曼太空望远镜利用爆炸的恒星来解决重要的宇宙之谜

罗曼的超新星调查将有助于澄清对宇宙目前膨胀速度的冲突性测量,甚至为探测暗物质的分布提供一种新的方式,暗物质只能通过其引力效应来探测。这项任务的主要科学目标之一是利用超新星来帮助确定暗能量的性质–这种无法解释的宇宙压力正在加速宇宙的膨胀。

罗曼将使用多种方法来研究暗能量。其中一种方法是调查天空中一种特殊类型的爆炸星,称为Ia型超新星。

许多超新星是在大质量恒星耗尽燃料时发生的,它们在自身重量的作用下迅速坍缩,然后因为强烈的冲击波从其内部推动出来而爆炸。这些超新星在我们的银河系大约每50年发生一次。但是有证据表明,Ia型超新星起源于一些双星系统,其中至少包含一颗白矮星–类似太阳的恒星的小而热的核心残余物。Ia型超新星要稀少得多,在银河系大约每500年才发生一次。

在某些情况下,矮星可能会从它的同伴那里吸走物质。这最终会引发失控反应,一旦达到一个特定的点,即它的质量大到变得不稳定就会引爆。天文学家还发现了支持另一种情况的证据,涉及到两个白矮星,它们相互旋转,直到合并,如果它们的综合质量高到足以导致不稳定,它们也可能产生Ia型超新星。

这些爆炸在一个类似的、已知的内在亮度上达到峰值,使Ia型超新星成为所谓的标准光量,即发出特定数量的光的物体或事件,使科学家能够用一个简单的公式找到它们的距离。正因为如此,天文学家可以通过简单地测量超新星的亮度来确定它们有多远。

天文学家还将利用罗曼来研究这些超新星的光线,以找出它们看起来远离我们的速度有多快。通过比较它们在不同距离上的后退速度,科学家们将追踪宇宙膨胀的时间。这将帮助我们了解暗能量是否以及如何在整个宇宙的历史中发生变化。

之前的Ia型超新星调查集中在相对较近的宇宙,这主要是由于仪器的限制。罗曼的红外线视野、巨大的视场和精致的灵敏度将极大地扩展搜索范围,将宇宙的幕布拉到足够远的地方,使天文学家能够发现成千上万的遥远的Ia型超新星。

这项任务将详细研究暗能量在宇宙历史上一半以上的影响,当时宇宙的年龄大约在40到120亿年之间。探索这个相对未被探测的区域将帮助科学家们为暗能量拼图添加关键的碎片。

除了提供与任务的其他暗能量调查的交叉检查外,罗曼的Ia型超新星观测可以帮助天文学家检查另一个谜团,在对哈勃常数的测量中不断出现差异,这可以用来描述了宇宙目前膨胀的速度。基于大爆炸后约38万年的早期宇宙数据的预测表明,宇宙目前应该以每兆帕的距离(一兆帕约为326万光年)约42英里/秒(67公里/秒)的速度扩张。但是对现代宇宙的测量表明其膨胀速度更快,大约在每兆帕的43至47英里/秒(70至76公里/秒)。

罗曼将通过探索这些差异的不同潜在来源来提供帮助。一些确定宇宙现在膨胀速度的方法依赖于Ia型超新星。虽然这些爆炸非常相似,这就是为什么它们是测量距离的宝贵工具,但小的差异确实存在。罗曼的广泛调查可以通过帮助我们了解导致这些变化的原因来改进它们作为标准光量的使用。

这项任务可以揭示Ia型超新星的特性是如何随年龄而变化的,因为它将在如此广阔的宇宙历史中观察它们。罗曼还将发现这些爆炸在其宿主星系中的不同位置,这可能为超新星的环境如何改变其爆炸提供线索。

任何有质量的东西都会扭曲时空的结构。光线以直线传播,但如果时空被弯曲–这发生在大质量物体附近–光线就会沿着曲线传播。当我们观察遥远的Ia型超新星时,介入物质周围扭曲的时空–比如单个星系或暗物质团块–可以放大来自更遥远的爆炸的光线。

通过研究这种放大的光线,科学家们将有一个新的方法来探测暗物质是如何在整个宇宙中聚集的。对构成宇宙的物质的更多了解将帮助科学家完善他们关于宇宙如何演变的理论模型。

通过绘制暗能量在整个宇宙历史中的行为,就可以追踪今天的宇宙是如何膨胀的,以及提供更多关于神秘暗物质的信息,罗曼任务将为寻求解决这些和其他长期存在的问题的天文学家提供大量的数据。由于它能够帮助解决如此多的宇宙之谜,罗曼将成为我们有史以来研究宇宙的最重要工具之一。

南希-格雷斯-罗曼太空望远镜由位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心管理,美国宇航局喷气推进实验室和位于南加州的加州理工学院/IPAC、位于巴尔的摩的太空望远镜科学研究所以及由各研究机构的科学家组成的科学小组参与其中。

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