天文学家找到关于宇宙基本结构的新视角

天文学家找到关于宇宙基本结构的新视角研究人员利用模拟研究了宇宙网，即在整个宇宙大尺度上存在的星系的丝状模式。通过将星系的分布视为一个点的集合，并应用为材料科学开发的数学技术，他们已经量化了宇宙的相对无序性，并对其基本结构有了更好的了解。资料来源：美国国家航空航天局/芝加哥大学和阿德勒天文馆和天文博物馆这项技术使人们能够应用为材料科学开发的数学来量化宇宙的相对无序性，从而能够更好地理解其基本结构。来自斯隆数字天空调查的宇宙中最大结构的可视化。资料来源：美国国家航空航天局/芝加哥大学和阿德勒天文馆和天文博物馆"我们发现的是，宇宙中星系的分布与传统材料的物理特性有很大不同，有其独特的特征，"该研究的共同作者奥利弗-菲尔克斯解释说。这项工作现在发表在《物理评论X》上，由萨尔瓦托雷-托尔夸托（SalvatoreTorquato）和奥利弗-菲尔克斯（OliverPhilcox）进行，前者是高级研究所的常客和访客，也是设在普林斯顿大学化学和物理系的刘易斯-伯纳德自然科学教授；后者是2020年9月至2022年8月在该研究所的访问博士生，现在是西蒙斯学会的初级研究员，主持在哥伦比亚大学。这个可视化图展示了宇宙中最大结构的三维视图。它从斯隆数字天空调查的数据开始，放大后显示了来自WMAP的数据。研究人员分析了由普林斯顿大学和Flatiron研究所产生的公共模拟数据。这1000个模拟数据中的每一个都由10亿个暗物质"粒子"组成，其由引力演化形成的星团可作为星系的代表。该论文的主要成果之一是关于成对星系的相关性，这些星系通过成对连接函数在拓扑学上相互连接。基于这一点以及在异质介质理论中出现的其他描述符阵列，研究小组表明，在最大的尺度上（几百兆帕斯卡的数量级），宇宙接近超均匀性，而在较小的尺度上（高达10兆帕斯卡），它几乎成为反超均匀性和强不均匀性。宇宙的一个截面（黑色和白色），暗物质光环用点表示，其相关的大尺度拓扑结构用颜色表示。资料来源：Philcox&Torquato;TheQuijoteSimulations"秩序和无序之间的感知转变在很大程度上取决于规模，"托卡托说。"乔治-修拉（GeorgesSeurat）在《大山的星期天》（ASundayonLaGrandeJatte）这幅画中使用的点彩技术（见下图）产生了类似的视觉效果；从近处看这幅作品显得无序，从远处看则高度有序。就宇宙而言，有序和无序的程度更加微妙，就像罗夏的墨迹测试一样，可以有无限种解释方式。"乔治-修拉的"LaGrandeJatte的星期天"。统计工具，特别是最近邻分布、聚类诊断、泊松分布、渗滤阈值和对连接度函数，使研究人员能够开发一个一致和客观的框架来衡量秩序。因此，他们的发现，虽然是在宇宙学背景下做出的，但也可以转化为其他一些动态的物理系统。这项跨学科的工作，结合了宇宙学和凝聚态物理学的技术，对两个领域都有未来的影响。除了星系的分布，宇宙的许多其他特征也可以用这些工具来探索，包括宇宙空隙和在宇宙再电离阶段形成的电离氢泡。反过来说，发现的关于宇宙的新奇现象也可能为地球上的各种物质系统提供启示。该团队认识到，在将这些技术应用于真实数据之前，还需要做更多的工作，但这项工作提供了一个强有力的概念证明，具有很大的潜力。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1350167.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1350167.htm

天文学家在宇宙的黎明中发现理论中"超大黑洞"存在的证据

天文学家在宇宙的黎明中发现理论中"超大黑洞"存在的证据长期以来，人们一直认为超大质量黑洞是由恒星质量黑洞经过数十亿年吞噬物质而形成的。最近对中等质量黑洞的观测似乎为这一假设提供了支持，这些黑洞是处于质量范围中间的罕见天体。但随着天文学家在更远的时空中窥探，他们发现越来越多的迹象表明，事情并没有那么简单。2017年，人们在太空的一个遥远角落发现了一个质量为8亿个太阳的黑洞，这意味着它在宇宙大爆炸后的几亿年里就长到了这么大--根据我们的模型，这种增长速度应该是不可能的。而且它远非孤例，在此之后还发现了100多颗当代巨星。一种可能的解释是，有些黑洞可能是通过其他方法形成的，这使得它们的起始质量比普通的超新星更大。这种假设认为，如果大量气体云坍缩，它们可能会形成质量约在1万到10万个太阳之间的黑洞。这项研究的合著者安迪-古尔丁（AndyGoulding）说："黑洞一旦形成，其增长速度就会受到物理限制，但那些天生质量较大的黑洞却拥有先机。这就像种植一棵树苗，它长成参天大树所需的时间比你从一粒种子开始种植所需的时间要短。"现在，天文学家声称他们首次发现了这种天体的证据，他们称之为"OutsizeBlackHole"。它位于一个名为UHZ1的星系中，距离地球132亿光年--这也意味着我们看到的是它132亿年前的样子，也就是宇宙大爆炸后不到5亿年的样子。包含UHZ1星系和首次潜在探测到的超大黑洞的空间区域的组合图像。紫色区域是钱德拉收集的X射线数据，红色、绿色和蓝色部分来自詹姆斯-韦伯X射线：NASA/CXC/SAO/ÁkosBogdán；红外线：NASA/ESA/CSA/STSCI；图像处理：NASA/CXC/SAO/L.Frattare&K.Arcand要在如此遥远的地方找到这个天体，需要钱德拉X射线天文台和詹姆斯-韦伯太空望远镜的联合力量，并借助一种叫做引力透镜的放大效应。一个前景星系团放大了来自UHZ1的微弱光线，使得两台望远镜能够捕捉到它。根据黑洞发出的X射线的亮度和能量，天文学家估计它的质量在1000万到1亿个太阳之间。这意味着它的质量和它的母星系中所有恒星的质量加在一起差不多，这个比例远远高于在更现代的星系中发现的超大质量黑洞。这些观测到的特征与"超大黑洞"的理论预测相吻合。"我们认为这是首次探测到'超大黑洞'，也是迄今为止获得的最好证据，证明一些黑洞是由大质量气体云形成的，"这项研究的合著者普里亚姆瓦达-纳塔拉詹说。"我们第一次看到超大质量黑洞在落后之前的一个短暂阶段，其重量与星系中恒星的重量差不多"。其他研究认为，这些早期巨星可能是由原始超大质量恒星变成超新星，甚至是自相互作用暗物质的坍缩形成的。当然，也有可能是多种机制在起作用，但只有进一步的观测才能帮助天文学家找出答案。这项研究的两篇论文分别发表在《自然-天文学》和《天体物理学杂志通讯》上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1395317.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1395317.htm

天文学家揭开宇宙最重黑洞双星之谜

天文学家揭开宇宙最重黑洞双星之谜两个超大质量黑洞的合并是一个早已被预测到的现象，尽管从未被直接观测到过。天文学家提出的一个理论是，这些系统的质量如此之大，以至于它们耗尽了宿主星系中驱动合并所需的恒星物质。利用双子座北望远镜的档案数据，一个天文学家小组发现了一个双黑洞，为这一观点提供了有力的证据。据研究小组估计，这个双黑洞的质量是太阳质量的280亿倍，是迄今为止测量到的最重的双黑洞。这次测量不仅为双星系统的形成及其宿主星系的历史提供了宝贵的背景资料，而且还支持了一个由来已久的理论，即超大质量黑洞双星的质量在阻止超大质量黑洞合并方面起着关键作用。资料来源：NOIRLab/NSF/AURA/J.daSilva/M.Zamani几乎每个大质量星系的中心都有一个超大质量黑洞。当两个星系合并时，它们的黑洞会形成一对双星，这意味着它们处于相互束缚的轨道上。据推测，这些双星最终会合并，但这一现象从未被观测到过[1]。几十年来，天文学家们一直在讨论这样的事件是否可能发生。在最近发表于《天体物理学报》（TheAstrophysicalJournal）的一篇论文中，一个天文学家小组提出了对这一问题的新见解。一个天文学家小组利用由美国国家科学基金会NOIRLab负责运行的双子座北望远镜（国际双子座天文台的一半）提供的档案数据，测量出了迄今发现的最重的一对超大质量黑洞。两个超大质量黑洞的合并是一种早已被预测到的现象，但从未被观测到过。这对超大质量黑洞提供了一些线索，说明为什么宇宙中发生这种事件的可能性如此之小。双子座北区前所未有的洞察力研究小组利用夏威夷双子座北望远镜（由美国国家科学基金会资助的NOIRLab运行的国际双子座天文台的二分之一）的数据，分析了位于椭圆星系B20402+379内的一个超大质量黑洞双星。这是迄今为止唯一一个被分辨得足够详细，可以分别看到两个天体的超大质量黑洞双星，[2]而且它还保持着迄今为止直接测量到的最小间隔记录--仅仅24光年[3]。虽然如此接近的分离预示着强大的合并，但进一步的研究发现，这对天体已经在这个距离上停滞了30多亿年，这不禁让人产生疑问：是什么阻碍了合并？双黑洞合并的挑战为了更好地了解这个系统的动态及其停止的合并，研究小组研究了双子座北区的双子座多目标摄谱仪（GMOS）的档案数据，这些数据使他们能够确定黑洞附近恒星的速度。"GMOS出色的灵敏度使我们能够测绘出恒星在靠近星系中心时的速度，"论文共同作者、斯坦福大学物理学教授罗杰-罗曼尼（RogerRomani）说。"有了这些，我们就能推断出居住在那里的黑洞的总质量。"据研究小组估计，这对双星的质量是太阳质量的280亿倍，是迄今测量到的最重的双黑洞。这一测量结果不仅为双星系统的形成及其宿主星系的历史提供了宝贵的背景资料，而且还支持了一个由来已久的理论，即超大质量双黑洞的质量在阻止潜在合并中起着关键作用[4]。"为国际双子座天文台提供服务的数据档案蕴藏着一座尚未开发的科学发现金矿，"国家科学基金会国际双子座天文台项目主任马丁-斯蒂尔说，"对这个极端超大质量双黑洞的质量测量是一个令人敬畏的例子，说明了探索这一丰富档案的新研究可能产生的影响。"二进制系统的形成与未来了解这个双星是如何形成的，有助于预测它是否以及何时会合并--一些线索表明，这对双星是通过多个星系合并形成的。首先，B20402+379是一个"化石星系团"，这意味着它是整个星系团的恒星和气体合并成一个大质量星系的结果。此外，两个超大质量黑洞的存在，加上它们巨大的总质量，表明它们是由多个星系的多个较小黑洞合并而成的。星系合并后，超大质量黑洞不会正面相撞。相反，当它们进入一个有束缚的轨道时，就会开始互相弹射。它们每经过对方一次，能量就会从黑洞传递到周围的恒星。随着它们能量的流失，这对黑洞被越拖越近，直到相距仅有一光年时，引力辐射占据上风，它们才会合并。这一过程已经在成对恒星质量的黑洞中被直接观测到--有史以来的第一次记录是在2015年通过引力波的探测--但从未在超大质量的双星中观测到过。停滞不前的合并与未来联合的可能性通过对该星系巨大质量的新了解，研究小组得出结论，需要有数量特别多的恒星才能减缓双星轨道的速度，使它们如此接近。在这个过程中，黑洞似乎甩掉了它们附近几乎所有的物质，使得星系核心缺少恒星和气体。由于没有更多的物质来进一步减缓这对天体的轨道，它们的合并在最后阶段停滞了。罗曼尼说："通常情况下，黑洞对较轻的星系似乎有足够的恒星和质量来驱动两者迅速结合在一起。由于这对黑洞非常重，因此需要大量恒星和气体来完成这项工作。但是这对黑洞已经将中央星系中的这些物质清除干净，使它停滞不前，可供我们研究。"这对天体究竟会克服停滞状态，最终以数百万年的时间尺度合并，还是永远继续在轨道上徘徊，目前尚无定论。如果它们真的合并，产生的引力波将比恒星质量的黑洞合并产生的引力波强大一亿倍。这对天体有可能通过另一次星系合并来征服最后的距离，这将为星系注入更多的物质，或者有可能是第三个黑洞，从而使这对天体的轨道慢到足以合并。不过，鉴于B20402+379是一个化石星系团，另一个星系合并的可能性不大。"我们期待着对B20402+379的内核进行后续调查，我们将研究其中存在多少气体，"论文第一作者、斯坦福大学本科生TirthSurti说。"这应该能让我们更深入地了解超大质量黑洞最终能否合并，或者它们是否会作为双星搁浅。"说明虽然有证据表明超大质量黑洞之间的距离只有几光年，但似乎没有一个黑洞能够跨越这个最终距离。关于这种事件是否可能发生的问题被称为"最终-秒差距问题"，几十年来一直是天文学家们讨论的话题。以前曾对含有两个超大质量黑洞的星系进行过观测，但在这些情况下，它们相距数千光年--太远了，不可能像在B20402+379中发现的双星那样处于相互结合的轨道上。其他黑洞动力源的距离可能更小，不过这些都是通过间接观测推断出来的，因此最好归类为候选双星。这一理论最早是由贝格尔曼等人于1980年提出的，根据数十年来对星系中心的观测，这一理论一直被认为是存在的。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1422216.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1422216.htm

天文学家在极早期宇宙极端狂暴的星系中发现快速增长的黑洞

天文学家在极早期宇宙极端狂暴的星系中发现快速增长的黑洞来自德克萨斯大学和亚利桑那大学的天文学家在非常早期的宇宙中已知的最极端的星系之一发现了一个快速增长的黑洞。该星系和其中心的黑洞的发现为最早的超大质量黑洞的形成提供了新的线索。这项新工作发表在《皇家天文学会月报》上。PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1346759.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1346759.htm

天文学家破解 "BOAT" - 解密宇宙最亮爆炸之谜

天文学家破解"BOAT"-解密宇宙最亮爆炸之谜自从巨型望远镜同时捕捉到BOAT信号后，全世界的天体物理学家都在争先恐后地解释伽马射线暴（GRB）的亮度及其余辉缓慢消退的奇特现象。现在，一个包括英国巴斯大学物理系亨德里克-范-埃尔滕博士在内的国际研究小组已经做出了解释：最初的伽马射线暴（被称为GRB221009A）直射地球，而且在它的后方还拖拽着异常大量的恒星物质。研究小组的这一发现发表在今天的著名期刊《科学进展》（ScienceAdvances）上。马里兰大学和华盛顿特区乔治华盛顿大学刚毕业的博士生布兰登-奥康纳博士是这项研究的第一作者。范埃尔顿博士是余辉理论分析的共同负责人，他说："研究这个谜题的其他研究人员也得出了这样的结论，即喷流是直接对着我们的--就像花园里的水管直接对着你喷射一样--这无疑在一定程度上解释了为什么我们能看到如此明亮的喷流。"但令人费解的是，我们根本看不到喷流的边缘。尼尔-盖尔斯-斯威夫特天文台的X射线望远镜捕捉到的"史上最亮伽马射线暴"余辉。图片来源：NASA/Swift/A.Beardmore（莱斯特大学）"余辉的缓慢消退并不是狭窄气体喷流的特征，了解到这一点后，我们怀疑爆炸的强度另有原因，而我们的数学模型也证实了这一点。我们的工作清楚地表明，GRB具有独特的结构，观测结果逐渐显示，在通常预计会出现孤立喷流的地方，一个狭窄的喷流嵌入了一个更宽的气体外流中。"那么，是什么让这个GRB比正常情况下更宽呢？研究人员有了一个理论。正如范埃尔顿博士解释的那样"GRB喷流需要穿过形成它们的坍缩恒星，在这种情况下，我们认为造成差异的是恒星物质和喷流之间发生了大量的混合，以至于冲击加热的气体一直出现在我们的视线中，直到任何特征性的喷流特征都消失在余辉的整体发射中。"他补充说："我们的模型不仅有助于理解BOAT，还有助于理解以前的亮度记录保持者，这些记录曾让天文学家对它们缺乏喷流特征感到困惑。这些GRB和其他GRB一样，在发生时一定是直接朝向我们的，因为同时向所有方向释放那么多能量是不符合物理学原理的。似乎存在一类特殊的事件，它们既极端又能掩盖其气体流的定向性。未来对发射射流的磁场以及承载它们的大质量恒星的研究，应该有助于揭示这些GRB如此罕见的原因"。奥康纳博士说："超长GRB221009A是有记录以来最亮的GRB，它的余辉打破了所有波长的记录。由于这次爆发如此明亮，而且就在附近（从宇宙学角度讲：它发生在距离地球24亿光年的小距离上），我们认为这是一个千年难得一遇的机会，可以解决有关这些爆发的一些最基本的问题，从黑洞的形成到暗物质模型的检验。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1372343.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1372343.htm

天文学家提出测量宇宙膨胀的新方法

天文学家提出测量宇宙膨胀的新方法解决方案的关键在于研究引力波，即天文学家于2015年首次探测到的时空涟漪。研究小组研究了引力本身如何影响引力波。当一对黑洞在宇宙舞蹈中合并成一个黑洞时，它们会发出引力波。当它们到达地球时，千米长的探测器帮助科学家研究黑洞对的特性。占据黑洞和地球之间空间的巨大星系改变了这些时空涟漪的路径，导致探测器记录到多份相同的波。天文学家称这种现象为引力透镜。这项研究的合著者帕拉梅斯瓦兰-阿吉斯（ParameswaranAjith）说："一个多世纪以来，我们一直在观测光的引力透镜现象。我们期待在未来几年内首次观测到透镜引力波！"引力波强透镜图形。资料来源：ParameswaranAjith（ICTS）未来二十年，科学家们将开始运行先进的引力波探测器，寻找合并黑洞。"未来的探测器将能够看到比现有探测器大得多的距离，"该研究的合著者之一、来自普纳天文学和天体物理学大学间中心的沙斯瓦特-J-卡帕迪亚解释说。该研究的另一位合著者、来自加州大学圣巴巴拉分校的TejaswiVenumadhav说，他们将能够探测到较弱的引力波信号，这些信号被埋没在影响现有探测器的噪声中。天文学家估计，先进的探测器将记录下几百万个黑洞对发出的信号，每个黑洞对都会合并形成一个超大型黑洞。其中，由于引力透镜作用，约有1万个黑洞合并将在同一个探测器中出现不止一次。苏维克领导的研究小组证明，通过计算这种重复黑洞合并的数量和研究它们之间的延迟，他们可以测量宇宙的膨胀率。随着未来二十年中来自先进引力波探测器的数据逐渐增多，他们的方法有可能精确测量出宇宙的膨胀率。苏维克说，研究小组的建议不需要知道产生多份引力波的单个星系的特性、与黑洞对的距离，甚至不需要知道它们在天空中的确切位置。相反，它只需要一种精确的方法，就能知道哪些信号受到了透镜作用。沙斯瓦特补充说，科学家们正在改进识别重复信号的技术。引力透镜要求天文源距离很远。这些黑洞对符合这一标准，它们可能来自133亿年前，也就是宇宙诞生后不到5亿年的地方。沙斯瓦特提醒说，只有当先进的探测器记录下数百万个黑洞合并时，他们提出的方法才会有所帮助。目前，研究小组正在研究这种未来的观测如何能够区分宇宙学家提出的不同宇宙模型。研究小组解释说，这些模型试图解开难以捉摸的暗物质之谜，暗物质是一种不与光相互作用的物质。暗物质假说解决了天文学家的难题，即解释为什么星系具有观测到的质量。然而，科学家们仍然无法确定暗物质的特性，因此产生了各种暗物质模型。研究小组正在进行的研究表明，未来对透镜引力波的观测将成为研究暗物质特性的工具。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1375607.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1375607.htm