凯克宇宙网络成像仪提供了迄今为止连接星系的丝状网络的最佳一瞥

就像河流滋养海洋一样，气体流滋养着整个宇宙的星系。但这些构成所谓宇宙网一部分的溪流非常微弱，很难看到。虽然天文学家几十年前就已经了解了宇宙网，甚至瞥见了类星体等明亮宇宙物体周围的细丝发出的光芒，但直到现在，他们还没有直接对太空最黑暗部分的延伸结构进行成像。

凯克宇宙网成像仪(KCWI)由加州理工学院的爱德华·C·斯通物理学教授克里斯托弗·马丁和他的团队设计，其新结果首次显示了宇宙网最大和最隐藏部分发出的直射光：纵横交错的细丝，横跨星系之间空间最黑暗的角落。KCWI仪器位于夏威夷莫纳克亚山顶的WM凯克天文台。

“我们为我们的仪器选择了凯克宇宙网成像仪这个名字，因为我们希望它能够直接探测宇宙网，”马丁说，他也是加州理工学院光学天文台的主任，其中包括加州理工学院凯克天文台的一部分;凯克天文台的其他合作伙伴包括加利福尼亚大学和美国宇航局。“我很高兴事情成功了。”

我们宇宙中的星系是由旋转的气体云凝结而成的。然后，这种气体进一步凝结成恒星，照亮星系，使望远镜能够在一系列光波长范围内看到它们。天文学家认为，深空中寒冷、黑暗的细丝蜿蜒进入星系，为星系提供气体，而气体是制造更多恒星的燃料。

2015年，马丁和他的同事发现了所谓的星系形成冷流模型的“确凿证据”，正如马丁所描述的：一根长丝将气体汇集到一个大星系中。在这项工作中，他们使用了KCWI的原型仪器，即宇宙网络成像仪，该仪器位于加州理工学院的帕洛玛天文台。

在这种情况下，灯丝被附近的类星体(年轻星系的明亮核)照亮。但宇宙网的大部分位于星系之间的荒凉地带，很难成像。

“在这一最新发现之前，我们在相当于灯柱的地方看到了丝状结构，”马丁说。“现在我们不用灯也能看到它们了。”

新发现发表在《自然天文学》杂志上的一篇论文中。

自从他还是一名研究生以来，马丁就一直致力于揭示宇宙网络的全部辉煌。他说，这种详细的网络成像将为天文学家提供他们所需的缺失信息，以了解星系如何形成和演化的细节。它还可以帮助天文学家绘制宇宙中暗物质的分布图(暗物质约占宇宙所有物质的85%，但科学家仍然不知道它是由什么组成的)。

“宇宙网描绘了我们宇宙的结构，”他说。“这是我们银河系中大多数正常物质或重子物质所在的地方，并直接追踪暗物质的位置。”

该动画展示了纵横交错的氢气细丝网络的3D切片。这些数据是由凯克宇宙网络成像仪(KCWI)收集的，该成像仪旨在揭示宇宙中这个先前隐藏的组成部分的结构。这次观测所覆盖的区域距离我们大约105亿光年。这里描绘的体积面积为2.3x320万光年，深度为6亿光年(每段5000万光年)。图片来源：加州理工学院/R。伤害(IPAC)

灯丝的微弱光芒

直接观察宇宙网的最佳方法是使用光谱仪来获取其主要成分氢气的特征，这些仪器将光传播到多种波长(也称为光谱)。氢气可以通过其最强的发射线(称为莱曼阿尔法线)在这些光谱中被识别。

Martin和他的同事设计KCWI是为了在宇宙的二维(2D)图像中寻找这些微弱的莱曼alpha信号(因此KCWI被称为成像光谱仪)。该仪器的第一部分涵盖了可见光谱的“蓝色”部分，波长范围为350至560纳米。(该仪器的第二部分称为凯克宇宙再电离测绘仪，或KCRM，它可以看到可见光谱的红色或较长波长部分，最近安装在凯克天文台)。

KCWI的精确光谱仪可以在一系列波长范围内寻找宇宙网的莱曼阿尔法特征。由于宇宙的膨胀，将光延伸到更长的波长，远离地球的气体具有更红的莱曼阿尔法特征。KCWI在每个光波长下捕获的2D图像可以叠加在一起，以制作宇宙网发射的三维(3D)图。在此次观测中，KCWI观测了10至120亿光年之外的太空区域。

“我们基本上是在创建宇宙网的3D地图，”马丁解释道。“我们在波长范围内获取图像中每个点的光谱，并将波长转换为距离。”

与空间漫射光的混淆

探测宇宙网的一个挑战是，它的昏暗光线可能会与附近弥漫在莫纳克亚山上空的背景光相混淆，包括来自大气层的辉光、来自太阳系的黄道光(当太阳光从行星际尘埃散射时产生)和甚至我们银河系的光。

为了解决这个问题，马丁提出了一种新策略，从感兴趣的图像中减去背景光。

“我们观察两个不同的天空斑块，A和B。细丝结构在斑块的两个方向上的距离不同，因此您可以从图像B中获取背景光，然后从A中减去它，反之亦然，“只留下结构。我在2019年对此进行了详细的模拟，以说服自己这种方法可行，”他说。

正如马丁所说，结果是天文学家现在有了“一种研究宇宙的全新方法”。

“借助KCWI新部署的红色通道KCRM，我们可以看到更远的过去，”高级仪器科学家MateuszMatuszewski说道。“我们对这个新工具将帮助我们了解更遥远的细丝以及第一批恒星和黑洞形成的时代感到非常兴奋。”

谈到观察宇宙的新方式，马丁与艺术家马特·舒梅克(MattSchumaker)合作，将宇宙网络中的数据转化为音乐，用于一个名为“螺旋、超星团、细丝、墙(以迈克尔·安德森命名)”的项目。该项目旨在纪念安德森的一生，他与他的宇航员同伴在2003年哥伦比亚号航天飞机事故中丧生。马丁“假装这些细丝是巨大的小提琴弦”，将细丝的质量转换为基于音符中间C的频率.可以在这里听到这首曲子。