暗物质研究性论文

在其30多年的生涯中，HST已经进行了 140多万次观测 ，科学家依据其观测数据，撰写了 超过18000篇论文 。

它的后期目标定位于遥远的漩涡星系，并帮助绘制了暗物质的区域图。对HST图像的分析，甚至帮助科学家们获得了 2011年的诺贝尔奖 ——发现宇宙的膨胀速度正在加快。

也因此，人们如此评价HST： 当地球上有问题时，哈勃会回答 。

HST的“十大发现”

在HST其后的工作时间里，天文观测取得了巨大成功，天文学领域据此发表了大量观测、分析、研究性论文，且引用率很高。

HST拍摄了大量宇宙空间、星系和恒星的照片；在不同波段对宇宙进行了 长期观测 ；观测到距地球130亿光年的 原始星系 ，发出的光芒来自大爆炸后刚形成的宇宙早期；发现了5颗 太阳系行星 。

此外，它还在黑洞、类星体、恒星诞生与死亡、宇宙年龄、暗物质等方面的观测研究中取得了 突出成果 。

截止到2006年，HST在轨运行了15年，得到了许多激动人心的发现，拍摄了 45亿张 精美的天文照片。人们对它的发现进行了总结，评出了最重大的“十大发现”：

HST的主要任务之一就是帮助天文学家 测定宇宙的准确年龄 。

天文学家用HST观测到仙女 星座 和其它星群中的造父变星，以确定宇宙的膨胀速度和年龄。HST将宇宙的年龄精确到 130亿至140亿年之间 。目前，最新的研究结果将宇宙年龄精确到了 137亿岁 。

HST在对 暗能量 的研究工作中扮演了 重要角色 。

暗能量是一种神秘形态的力，起到宇宙气体“踏板”的作用，加快了宇宙膨胀的速度。

HST关于超新星的资料，帮助研究者揭示这种神秘力量在宇宙中 持续存在 。

HST完成了对太阳系外一颗行星大气层化学构成的 直接测量 。

在一颗木星大小的行星大气中，它发现了钠、氢、碳和氧元素。

这一观测结果证明，HST和其它望远镜可以从一些天体的大气中进行化学构成的 采样工作 。

HST给天文学家提供了遥远的星系照片，反映了宇宙 诞生之初 的景象，为科学家进一步了解宇宙的 起源和演变 提供了宝贵的资料。

HST拍摄了M87椭圆星系的图像，观测资料证实大多数星系的中心都具有一个 巨大的黑洞 。

1999年1月23日HST捕捉到了 伽马射线暴 的景象，这是当时纪录过的 最大规模 的一次伽马射线暴。

拍摄的图像显示，这些放射线的短暂闪光来自于遥远的星系，这些星系以非常快的速度形成众多恒星。

图像还确定了这些爆炸来源于一些 巨大星体的瓦解 。

天文学家使用HST追踪到一些类星体的“家”（ 宿主星系 ），并且证明它们位于这些星系的 中心区域 。

HST拍摄到了猎户星云中的 原行星盘 ，资料证明，烤盘形状的尘埃盘围绕着年轻恒星的现象很平常。

HST拍摄到了1994年7月名为苏梅克·列维9号的 彗星断裂 成21个碎块 撞击木星 的情景，撞击所产生的蘑菇形火球冲击到了木星上空。

HST拍摄到的一组在跳跃的颜色中烁烁发光的 行星状星云 ，向人们描绘了垂死恒星的最后色彩。

行星状星云是一些即将消亡的恒星所抛射出的气体外壳，HST拍到的图像显示，行星状星云就像雪花一样，没有任何两个是完全一样的。

HST在第二次维修前的巨大成就

到1997年4月，HST已工作了7年，这期间它取得了丰硕的科学成果。

来自全世界20多个国家的2000多名科学家，利用HST进行了11万多次科学观测，并在分析的基础上撰写了1346篇论文。

这期间HST取得的主要成就包括：增进了人类对 宇宙年龄和大小 的了解；证明某些星系中央存在 超高质量的黑洞 ；观察了数千个星系和星系团，探测到了宇宙诞生早期的“ 原始星系 ”，使科学家有可能跟踪研究宇宙发展的 历史 ；对神秘的 类星体 和其存在的环境进行了深入观测；更深入揭示了恒星的不同 形成过程 ；对宇宙诞生早期恒星形成过程中 重元素的组成 进行了研究；揭示了已死亡的恒星周围 气体壳 的复杂组成；对猎户座星云中年轻恒星周围的尘埃环进行了观测，揭示出银河系中存在其他 行星系统 ；对 苏梅克彗星与木星相撞 进行了详细观测；对火星等 行星 进行了观测；发现木星的两颗卫星——木卫二和木卫三的大气层中 存在氧 。

HST第二次维修安装的 近红外相机 及 多目标分光计和图像摄谱仪 ，使望远镜能够跟踪 宇宙大爆炸后10亿年左右 形成的古老星系，并能详细观测黑洞、膨胀的星系、爆炸后的恒星以及众多天体。

第二次维修工作使HST的 寿命得到提高 ，观测能力 进一步增强 ，观测光波段延伸到 近红外 范围。

创造早期宇宙成像的黄金时代

HST在多次维修过程中，更换了所有的原装观测仪器。

其中有两件新仪器非常重要，分别是第三次维修时安装的 高级巡天相机（ACS） 和第五次维修时安装的 宽视场相机3号（WFC3） 。

ACS在可见光到红外光中能 穿越宇宙级的距离 ，非常适合测量 红移星系 和 中等到大型星系团 。

WFC3用于观测研究 各演化阶段 的星系，从极遥远的年轻星系到较近的恒星系统，也包括太阳系内的行星系统和系外行星。

它的主要特点是 跨越电磁频谱 的能力，从紫外线到可见光，并进入近红外（NIR）波段，其在近红外源获得的全新高清晰图像，使之成为后继者韦伯望远镜的重要先驱。

WFC3的广谱“全色”覆盖范围与ACS是极好的补充，两者协同工作，被认为创造了一个新的 早期宇宙成像的黄金时代 ，为天文学家提供了当时 最佳观测功能 ，在宽波长范围内提供了极好的 宽视场成像质量 。

探索 早期宇宙和星系

HST在早期宇宙和星系观测方面的重要成果，可追溯到 宇宙大爆炸数亿年后 的情形，对认识早期宇宙、早期星系具有重要意义。

这些成果大都采用HST的 超深场模式 （Ultra Deep Field）拍摄，采用的仪器前期主要是ACS，2009年后则以高ACS与WFC3的组合为主。

这种观测模式一般在 极小的天区范围 进行，约为满月直径的十分之一，视场范围内包含约5500个星系，最暗星系的亮度是人眼所能看到的亮度的 百亿分之一 ，即使用先进的观测仪器也非常难以“看到”，因此经常采用“ 引力透镜 ”原理将观测源发出的光线进行聚焦、放大。另外，拍摄这样一张极远的宇宙图像，往往需要 多次、长时间曝光 。

>>>

2003年9月24日至2004年1月16日间，HST对南天区鲸鱼座和波江座附近的天炉座一小片天区，进行了 800次曝光 ，总曝光时间达 天 ，最终拍摄了一张照片。

照片中最小、最红的小点显示的遥远星系，约有100个，可能是当时 已知最遥远的星系 ，存在于 宇宙大爆炸后8亿年 的时候。

>>>

2009年，HST在近红外光下拍摄了 更远、更深 的宇宙图像。

当年8月，HUDF09团队利用新安装的WFC3红外通道，对前述同一天区进行观测，拍摄过程共4天，总曝光时间 173000秒 。

照片显示的星系红移量Z达到8 ，推算出这是 宇宙大爆炸后6亿年 的情景。

>>>

2012年11月16日，HST在大熊 星座 附近的一个小天区进行了极深场拍摄，并且利用了周围巨大的星系团产生的引力透镜放大效应，获得了一个名为 MACS0647-JD 的星系照片。

MACS0647-JD只在红色波长下发光，是一个 非常年轻 的星系，估计形成于 宇宙大爆炸后亿年 ，其直径约600光年，比银河系（直径150000光年）小约250倍。

早期的星系一般都 极不稳定 ，在此后的数十亿年间将发生无数次碰撞，然后逐渐形成我们能看到的巨大宇宙结构。

在接下来的130亿年中，MACS0647-JD可能会与其他星系和星系碎片发生数十、数百甚至数千次 合并事件 ，这一观测成果将有助于科学家了解宇宙在第一批恒星和星系出现时如何形成。

没有最远，只有更远！

HST和宇航局另一个重要的红外天文卫星（运行于地球跟随日心轨道） 斯皮策太空望远镜 （SpitzerSpace Telescope，缩写为 SST ）单独或共同作出的发现，不断改写着观测最远星系的 历史 。

正应了那句话“ 没有最远，只有更远！ ”

>>>

2015年5月和9月，发现了两个最远星系候选者，前者被命名为 EGS-zs8-1星系 ，距离地球约131亿光年；后者被命名为 EGS8p7星系 ，距离地球约132亿光年。

按照目前对宇宙年龄的估计，它们分别诞生于大爆炸 6亿年 和 5亿年 后。

EGS-zs8-1星系的红移是此前测量中 最高 的，最初由HST和SST识别，后来使用夏威夷凯克天文台10米望远镜进行了详细观测。

根据这些观测和分析结果，研究人员认为EGS-zs8-1中的恒星“年龄在1亿到3亿年之间”，是 非常年轻的恒星 ，也是 宇宙诞生后的第一批恒星 。因而，EGS-zs8-1在当时被认为是迄今为止被观测到的 最古老星系之一 。

观测结果还表明，EGS-zs8-1形成恒星的速度是银河系的80倍， 非常活跃 。

此外，根据SST在该星系和其他早期星系中观察到的独特颜色，科学家认为可能是这些星系中的原始气体相互作用导致 大质量年轻恒星快速形成 所造成。

对该星系的进一步研究，有可能揭示在早期星系和年轻恒星里形成 重元素的类型和数量 。

>>>

2018年，在观测SPT-CLJ0615-5746星系团时，HST非常幸运地发现了 SPT0615-JD星系 。

这是一个很小的、处于 胚胎期 的星系，距离大爆炸仅 5亿年 ，HST是借助引力透镜原理，拍摄到了这个星系的照片。

天文学家估计，这个小星系的质量不超过30亿太阳质量（大约是银河系质量的1/100），直径不到2500光年，只有小麦哲伦星云的一半。该星系被认为是大爆炸后不久即出现的 年轻星系的原型 。

虽然在早期时代，已经看到了一些其他的原始星系，但由于它们的小尺寸和巨大距离，看起来都像是小小的红点。

然而，在一个巨大的前景星系团的引力场作用下，不仅放大了背景星系发出的光，而且还将目标星系也放大成了小弧形（约2弧秒长）。

结合HST和SST的数据，该新生星系的红移值高达10，其时间可回溯到 133亿年前 ，即宇宙诞生后4~5亿年。

科学家指出，这个星系已经处于 HST探测能力的极限 ，后续工作将由韦伯太空望远镜继续，包括早期宇宙中 恒星诞生、演化的细节 以及 早期星系的子结构 问题。

>>>

2014年1月5日-9月28日，HST利用ACS和WFC3的红外通道，在南天波江座附近，又观测一个非常遥远的星系，并将其取名 Tayna ，意思是“第一个出生”。

这次观测和成像也利用了引力透镜原理，大大增强了星系的光线亮度，使其看起来比正常亮度高20倍。

根据其红移数据，科学家估计它距离我们 约有133亿年 ，相当于 宇宙诞生后4亿年 ，是当时发现的 最远天体 。

它的大小与大麦哲伦星云相当，里面的恒星形成速度为大麦哲伦星云内恒星形成速度的10倍。

>>>

HST于2015年2月11日和2015年4月3日对北天区进行深入观测，并于2016年3月3日在大熊 星座 方向发现了可能是迄今为止已知的 最远星系 ，但当时并未估计出该星系的红移量。

2017年4月，北京大学科维理天文与天体物理研究所江林华领衔的国际团队利用世界上最先进的地基红外望远镜之一——夏威夷山上10米口径的凯克望远镜，对这个星系进行了深度光谱观测，基于光谱分析和计算得出该星系的准确红移为 ，证实其为 134亿光年 之外的星系，即这个星系只有 3 4亿岁 。

由于该星系红移量高达11，因此将其命名为 GN-z11 ，其中z就代表红移。

研究团队不仅从光谱中读出了准确红移，也读出了其他信息。

光谱显示有三条发射线，由碳和氧的二次电离气体发出，表明该星系中已有丰富的非氢非氦元素。该信息暗示，新发现的星系可能 并非宇宙中的第一代星系 。

这个发现对理解宇宙早期星系和恒星形成有重要意义，为研究宇宙 极早期天体 打开了一扇窗口。

HST和SST联合成像显示，GN-z11比银河系小25倍，恒星质量仅为银河系的1%。然而，GN-z11的成长速度非常快，形成恒星的速度大约是银河系的20倍。

>>>

HST和SST对于宇宙极深处和极早期的观测和取得的成果已经今科学家万分激动。

红外波段更宽、仪器观测精度更高的韦伯望远镜应当能够观察到 更遥远 、 距离大爆炸仅几亿年 的早期宇宙和第一批恒星、星系面貌，有可能取得更具突破性的成果。

神秘的暗物质究竟是什么？为何明明没有观测到，科学家就相信它存在

暗物质是人的肉眼无法看到的宇宙物质，科学家通过在没有光的真空条件下研究它，观测深空中的天文现象发现了暗物质。

暗物质目前还处于研究阶段，是科学家们提出的一种理论上存在的一种不可见物质。它可能是宇宙物质的主要组成成分，很多宇宙中疑似违背牛顿万有引力的现象，在存在暗物质的前提下，都能得到很合理的解释。

存在也就是所说的黑体，而黑体已经得到证明存在。有不发光天体晕物质以及非重子中性粒子组成。

矮星系的恒星形成过程能够缓慢“加热”暗物质，将它们往外推。左图展示了一个模拟矮星系的氢气密度。右图展示了真实存在的矮星系IC 1613的氢气密度。模拟过程中，重复出现的气体流入-流出导致IC1613中央的引力场强度波动。暗物质对这种波动做出相应，具体体现为远离IC 1613中央。这种效应被称之为“暗物质升温” 在一项新研究中，科学家发现相关证据，证明暗物质可以被加热并四处移动。之所以出现这些现象是因为星系的“造星运动”。新研究提供了第一个观测证据，证明所谓的“暗物质升温”效应，同时也为科学家提供新线索，帮助他们揭示暗物质的构成。研究论文刊登在《英国皇家天文学会月刊》上。 此项新研究由萨里大学、卡耐基·梅隆大学和苏黎世联邦理工学院的科学家进行，旨在搜寻附近矮星系中央的暗物质证据。矮星系是暗淡的“小个子”星系，通常环绕大型星系运行，例如我们的银河系。它们可能隐藏着一系列线索，有助于科学家进一步了解暗物质的特征。 艺术概念图，银河系的暗物质蓝色光晕 在宇宙的物质总量中，暗物质占据主导地位。不过，暗物质与光线的交互方式与正常物质不同，只有通过研究它们的引力效应，才能对暗物质进行观测。进一步了解矮星系的恒星如何形成，可能是揭开暗物质神秘面纱的关键。 恒星形成时，强风会将气体和尘埃吹离星系中央。其结果是，星系中央质量减少，影响余下暗物质所能感受到的引力大小。在引力减少的同时，暗物质获得能量并离开星系中央。这种效应被称之为“暗物质升温”。 矮星系NGC 5264。类似这样的矮星系通常拥有10亿颗左右恒星 研究过程中，天体物理学家对16个矮星系中央的暗物质数量进行了测算。这些矮星系的恒星形成史存在很大差异。他们发现很久前就停止造星的矮星系，中央的暗物质密度超过仍在造星的矮星系。这一发现支持了“古老星系暗物质升温效应较弱”的理论。 研究论文主执笔人、萨里大学物理学系主任贾斯汀·里德表示：“我们发现这些矮星系中央的暗物质数量与它们曾经的造星数量之间存在显著联系。”仍在造星的矮星系中央的暗物质似乎被加热并往外推。 凤凰座矮星系。它是一个不规则星系，内侧恒星较为年轻，外侧恒星则比较古老 研究发现为暗物质模型添加了新限制条件：暗物质一定能够形成中央密度千差万别的矮星系，中央的暗物质密度一定与造星数量之间存在联系。研究论文合著者、卡耐基·梅隆大学的马修·瓦尔克指出：“这项研究可能找到了确凿证据，有助于我们进一步了解暗物质的构成。我们的研究表明暗物质可以被加热并四处移动。这项发现有助于推进暗物质粒子的搜寻工作。” 研究小组希望扩大矮星系样本数量，测算更多矮星系中央的暗物质密度。他们计划将亮度更为暗淡的矮星系囊括其中，测试更多暗物质模型。