如何用长焦镜头发现星系

L.IKE无数疯狂的IT-MOTER-MORP-WORMS方案，这是一个始终使用粗磨会议。在2011年秋季，Roberto Abraham和Pieter Van Dokkum正在在多伦多的尼泊尔餐厅进行独家。在咖喱和米饭 - 慷慨的啤酒 - 老朋友Bemoaned他们之前讨论过的问题。

作为观测宇宙学家，他们对星系的诞生和演化有着共同的专业兴趣。领先的理论，被称为分层星系形成，将这种增长描述为一个从小到大、从简单到复杂的长期放大过程。起初，在大爆炸发生几千年后，几乎所有的物质都是暗物质，这是一种神秘的、看不见的普通发光物质的对应物。但暗物质并没有均匀地分布在新生的宇宙中，很快密度更大的口袋开始聚集在一起，在重力的牵引下凝聚成大致球形的束。随着这些“暗物质晕”变得越来越大、越来越紧密，气体聚集在它们的核心，为恒星和第一批星系提供燃料。几十亿年来，星系碰撞并融合成越来越大的系统，最终创造出像我们银河系一样的灿烂宇宙巨兽。

然而，检验这一理论并不容易。建模者不断地对星系的结构和行为做出预测，如果在实际宇宙中观察到这些预测，将使这个故事更加完善，并使其可信。但更经常的是，像亚伯拉罕和范多库姆这样的天文学家发现，他们无法用现有的望远镜支持或反驳这些模型。耶鲁大学教授van Dokkum说：“我们很沮丧，因为我们无法进一步推动现有的技术。”。

他们还对天文学变得如此繁琐感到沮丧:现代天文项目通常是大规模的事务，需要少量的财富、堆积如山的文书工作和足够的耐心。亚伯拉罕是多伦多大学的一名教授，他说:“你必须设想如何筹集1000万美元，组建一个团队，即使这样，你也只知道十年后事情是否会有结果。”

肯定有更好的办法。随着谈话的深入，他和范·多库姆开始思考，两位勇敢的宇宙学家是否能够独立探索。他们幻想着找到一种快速而肮脏的方法来检验等级星系形成理论。但如何?

他们最终会发现周围的星系周围的细腻，阴暗的结构，宇宙学家长期以来一直在寻找吗？

然后，渐渐地，出乎意料地，一个答案出现了。根据一项长期的预测，像银河系这样的大星系应该坐落在巨大而无序的区域中，这些区域由恒星喷出的碎片、被吞噬了一半的光晕以及造成它们的剧烈碰撞的其他残余物组成。计算机模型显示这些星系被细小的结、凸起和物质流所包围。成百上千的暗物质丰富的“矮星系”围绕着它们旋转。作为亚伯拉罕把它放了“每个星系看起来都应该像一只被压扁的虫子。”

不过，通过目前的望远镜观察，星系看起来是平滑的、对称的——经典的螺旋形和椭圆形。这可能表明宇宙学家关于星系演化的理论是错误的。但更有可能的是，亚伯拉罕和范·多库姆推测，传统的望远镜根本无法分辨出在星系明亮的中心之外旋转的昏暗、弥漫的碎石。

问题不在于望远镜的大小。越来越大的镜子让天文学家能够越来越深入地观察空间和时间，发现早期宇宙中异常微弱的光点。但是，当研究人员试图调查散布在大片天空中的弥散物质时，比如附近星系周围的晕，他们就遇到了麻烦。镜子反射表面的微小不规则会散射入射的光线，使图像被幽灵和其他伪影所污染，从而模糊了真实的数据。

突然间，又喝了一大口啤酒，范·多库姆意识到他可能知道摆脱困境的方法。他有一个野生动物摄影的爱好(他最近出版了一本蜻蜓的照片集)，并紧跟相机的潮流。“我听说过这些很棒的新长焦镜头，”他说。日本光学公司佳能(Canon)已经开始生产高端镜片，镜片表面涂有纳米锥的专利薄膜。佳能声称，通过使偏离相机探测器的光线偏转，锥有效地消除了散射的影响。摄影师现在可以得到清晰、逼真的图像——不再有鬼魂或闪光。

van dokkum想知道：如果他和亚伯拉罕在宇宙上转动镜头，那会发生什么？他们最终会发现周围的星系周围的细腻，阴暗的结构，宇宙学家长期以来一直在寻找吗？

14厘米的光圈¹一个佳能镜头并不能揭示很多东西:仅仅为了收集足够的光线来辨认宇宙学家希望看到的那种昏暗物体，夜间曝光就需要数周的时间。前提是天气很好，没有技术故障。但如果他们增加镜片呢?通过通过多个透镜同时成像星系，就像蜻蜓的复眼一样，他们可以在更短的时间内捕捉到较弱的结构，同时也可以纠正错误。

范多库姆回忆道：“对我来说，整个对话都是理论性的。”。“但是鲍勃说，‘你知道，我们为什么不直接做呢？比如说，真的要建造它？’”

他们称他们的创造物为蜻蜓。

W.几个月，Abraham和Van Dokkum在研究资金上刮了大约15,000美元，以购买新的佳能镜头和随附的设备之一。2012年3月，他们在魁北克开展了Mont-Méganty黑暗的天空保险，以在魁北克测试：纳米币涂层是否被证明是佳能声称的革命性？

在一个满是业余天文爱好者的雪地停车场，他们将镜头连接到相机上，将其安装在三脚架上，并将小型望远镜对准一个被称为M51的螺旋星系。M51首次被观测是在1700年代末，几个世纪以来，人们对它进行了深入的研究和拍摄。但经过两个小时的曝光，佳能的镜头捕捉到了一个科学家们以前只收集到了一些线索的景象：远远超出M51明亮的中央螺旋线的是一个明显的扩散物质光晕。范多库姆说：“我们很快意识到，这种镜头确实像我们希望的那样出色。”。

他们又花了几个月的时间筹集资金，购买了另外两个镜头和其他现成的零件，以制造蜻蜓。他们将每个镜头与数码相机和调焦器配对，并将所有东西连接到Mac mini上。（为了最大限度地减少重启，每个镜头现在都通过自己的拇指驱动器大小的控制器进行操作，该控制器与主计算机进行无线通信。）他们将镜头封装在防护金属圆筒中，然后将其栓接在定制的支架上，这样蜻蜓的所有眼睛都可以指向天空中的同一点。亚伯拉罕编写了一个软件，将三个几乎相同的快照组合成一个图像。

2012年9月，他们将“蜻蜓”号运到新墨西哥州南部的一个望远镜托管站点，在那里他们可以指望大多数夜晚都是晴朗的天空。van Dokkum说:“在那个月结束之前，我们实际上用联邦快递运送了我们的设备，预订了航班，并安装好了设备。”

“每个人都知道大型漫射星系不存在，所以他们从未想过要寻找它们。”

回到他们的家庭大学，他们可以在互联网上控制蜻蜓，随时随地。轻松和自由令人振奋。“如果我们决定今晚我们想观察土星，我们可以做到，”van dokkum说。“这种创造力和灵活性令人难以置信的稀有[在天文学]。”

到2013年，他们将“蜻蜓”镜片升级到8个。2014年，他们发表了第一个重大发现。他们与耶鲁大学研究生艾莉森·梅里特(Allison Merritt)一起，拍摄了一个名为M101的大型螺旋星系，也就是风车星系。在它周围的区域，他们发现了7个以前没人见过的矮星系。但当他们分析数据时，他们发现只有3颗矮星围绕M101运行。模型预测数百人。其余的在哪里?

可能是M101的许多卫星太暗了，蜻蜓号看不到。甚至可能有“赤裸的”光环围绕着根本没有恒星的星系运行。但亚伯拉罕和范多库姆说，明亮矮星的稀少是奇怪的。亚伯拉罕说:“如果蜻蜓号没能找到这些卫星(在其他星系周围)，那么要么是等级星系形成的理论是完全错误的，要么是某些物理因素阻止了恒星形成或把它们撕碎。”“我怀疑是后者的性质有令人惊讶的方式来摆脱恒星，或者从一开始就不允许它们形成。”

除了矮卫星外，研究人员还希望看到M101周围有一圈碎石。他们知道，蜻蜓非常敏感，能够察觉到它。但是望远镜没有发现任何东西——光晕明显不存在。鼓动乌合之众的天文学家是如何看待这一事实的？“不多，”范多库姆说。“你不能排除基于一个对象的一整套理论。”

M101的发现使他们开始了一项系统的调查。他们获得了一笔拨款，在三年内拍摄20到30个星系，并招募了多伦多大学的另一名研究生张杰来(Jielai Zhang)。(他们预计将在2017年公布第一批研究结果。)

与此同时，“蜻蜓”长到了10个镜头，然后是24个，很快就48个(外加两个引导镜头)。亚伯拉罕说:“在50个镜头的时候，我们实际上是世界上最大的折光望远镜。”这些升级大大加快了生成图像的时间，从几周到几小时。尽管该望远镜在技术上仍是一个原型，但它已经扩大了已知宇宙中物体的目录。

例如，最近，亚伯拉罕和范多库姆在银河系调查中休息了一下，想知道为什么不-想象一下彗发星系团，一个距离地球3亿光年的拥挤星系团。令科学家们惊讶的是，这张照片显示了数十个巨大的星系，它们的亮度异常暗淡。与银河系一样大，这些“超漫反射”星系只发射其约千分之一的光。

目前的模型认为这样的星系不应该存在。但他们就在这里，在人满为患的、喜欢撞车的昏迷群中。范多库姆说：“它们一定是由许多暗物质结合在一起的。”。“否则它们很快就会被撕碎。”

受这一发现的启发，纽约石溪大学的天文学家金·科达和他的同事们仔细研究了夏威夷莫纳凯亚山顶上强大的斯巴鲁望远镜拍摄的存档昏迷图像。以蜻蜓的数据为指导，他们发现了数百个以前被忽视或视为人工制品的超漫反射星系的例子。范多库姆说：“每个人都知道大型漫射星系不存在。”。“所以他们从没想过要找他们。”

在亚伯拉罕的观点中，蜻蜓是一种更深入研究的“有点探路者”。“这个小望远镜真的擅长找到这些难以检测的东西，而是真正了解他们，你需要夏威夷或太空中的大望远镜。”散射可以防止大型反射器揭示霍洛斯和矮星的漫射结构。但是，一旦蜻蜓斑点，天文学家然后可以使用这些大镜子放大特定对象，让他们更详细地研究它。

D.虻使亚伯拉罕和范多库姆在业余爱好者和专业天文学家中都小有名气。他们的同行为他们的聪明才智和早期成功喝彩。“蜻蜓是解开弥漫宇宙之谜的最新突破，”澳大利亚悉尼天文研究所主任乔斯·布兰德-霍桑说。他也很欣赏“蜻蜓”的发明者是如何设法摆脱宇宙学研究的官僚负担的。“没有什么比探索新事物、掌握自己的命运更让人兴奋的了，”他说。

Avi Loeb是哈佛大学的天文学家，同意。他认为蜻蜓是出版他的一组最近的理论论文。2015年初，他和他的共同作者开发了进化模型，预测了Galaxy集群的“郊外附近”的发光气体排放。然而，根据他们的计算，这些排放太暗了，以观察使用现有的望远镜。没有验证他们预测的手段，他们决定不值得出版。

然后，幸运的是，他们参加了哈佛大学的一个研讨会，亚伯拉罕在会上介绍了《蜻蜓》的一些初步发现。Loeb说:“我们了解到，‘蜻蜓’能够探测到我们在方程式中预测的确切的辉光。”他们激动不已，提交了论文，并于本月发表。

亚伯拉罕和范多库姆还不能确定蜻蜓会有多大，也不能确定它能看到多少东西。到目前为止，使用多达24个镜头(他们仍在完成50个镜头的升级)，他们已经能够分辨出大约是传统望远镜分辨能力十分之一的漫反射物体。从理论上讲，更多的镜片应该会显示出更暗的东西。但这可能有一个限制:蜻蜓号镜头的折射率以及被称为银河卷云的微弱宇宙光污染的存在，可能会给望远镜的能力设置一个严格的上限。

“我们是否能超过50个[镜头]还不清楚，”van Dokkum说。“这也有点取决于我们想要发展到多大。如果我们想要500个镜头，那么我们就需要一个更大的手术，它就会开始占据我们的生活。然后我们就得四处寻找一个新的有趣的项目。”

Patchen Barss是多伦多的科学记者和作家。