就像河流滋养海洋一样，气体流滋养着宇宙中的星系。但是这些构成所谓宇宙网一部分的流非常微弱，很难看到。虽然天文学家对宇宙网的了解已经有几十年了，甚至在被称为类星体的明亮宇宙物体周围瞥见了它的丝状光，但直到现在，他们还没有直接在太空最黑暗的部分拍摄到延伸结构的图像。
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的凯克宇宙网成像仪(KCWI)的新结果首次显示了宇宙网中最大、最隐蔽的部分发出的直接光:纵横交错的丝状细丝延伸到星系之间最黑暗的空间角落。KCWI仪器位于夏威夷莫纳克山顶的w·m·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，因为我们希望它能直接探测到宇宙网，”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是加州大学和美国宇航局。“我很高兴它成功了。”
宇宙中的星系是由旋转的气体云凝聚而成的。然后，这些气体进一步凝结成恒星，照亮星系，使它们在一定波长的光线下被望远镜看到。天文学家认为，深空中寒冷、黑暗的细丝蜿蜒着进入星系，为星系提供气体，这是制造更多恒星的燃料。
2015年，马丁和他的同事们发现了“确凿的证据”，正如马丁所描述的那样，证明了所谓的星系形成冷流模型:一条长灯丝将气体汇集到一个大星系中。在这项工作中，他们使用了位于加州理工学院帕洛玛天文台的宇宙网络成像仪KCWI的原型仪器。
在这种情况下，灯丝被附近的类星体照亮了，类星体是一个年轻星系的明亮核心。但是大部分的宇宙网位于星系之间的荒凉地带，很难想象。
“在这一最新发现之前，我们看到的是灯柱下的丝状结构，”马丁说。“现在我们不用灯也能看到它们了。”
这项新发现发表在《自然天文学》杂志上。
马丁从研究生时代起就被驱使着去揭示宇宙网的全部辉煌。他说，这种详细的网络成像将为天文学家提供他们需要了解星系形成和演化细节的缺失信息。它还可以帮助天文学家绘制暗物质在我们宇宙中的分布(暗物质占宇宙中所有物质的85%，但科学家们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。“它是我们星系中大多数正常物质或重子物质所在的地方，可以直接追踪暗物质的位置。”
直接观测宇宙网的最好方法是使用光谱仪来获取其主要成分氢气的特征，光谱仪将光传播成多种波长，也称为光谱。在这些光谱中，氢气可以通过其最强的发射线来识别，这条线被称为莱曼α线。
马丁和他的同事设计KCWI是为了在宇宙的二维(2D)图像中发现这些微弱的莱曼α信号(因此KCWI被称为成像光谱仪)。该仪器的第一部分覆盖了可见光光谱的“蓝色”部分，波长范围从350纳米到560纳米。(该仪器的第二部分被称为凯克宇宙再电离绘图仪(KCRM)，它可以看到可见光谱的红色或较长波长部分，最近被安装在凯克天文台)。
KCWI的精密光谱仪可以在一系列波长范围内寻找宇宙网的莱曼α信号。由于宇宙的膨胀，它将光延伸到更长的波长，距离地球更远的气体具有更红的莱曼α特征。KCWI在每个波长下捕获的二维图像可以叠加在一起，形成宇宙网发射的三维(3D)地图。在这次观测中，KCWI观测了100亿光年到120亿光年之间的空间区域。
“我们基本上是在创建一张宇宙网的3D地图，”马丁解释说。“我们在波长范围内为图像中的每个点获取光谱，并将波长转换为距离。”
探测宇宙网的一个挑战是，它暗淡的光线可能与附近弥漫在莫纳克亚上空的背景光相混淆，这些背景光包括来自大气层的光、来自太阳系的黄道光(当阳光从行星际尘埃散射时产生)，甚至是我们自己星系的光。
为了解决这个问题，马丁想出了一个新策略，从感兴趣的图像中减去背景光。
“我们看两个不同的天空斑块，A和B。在斑块的两个方向上，灯丝结构将处于不同的距离，所以你可以从图像B中提取背景光，并从图像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是可行的，”他说。
结果是天文学家现在有了“一种研究宇宙的全新方法”，马丁说。
“有了KCRM, KCWI新部署的红色通道，我们可以看到更远的过去，”高级仪器科学家Mateusz Matuszewski说。“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法，马丁与艺术家马特·舒梅克合作，将宇宙网的数据转化为音乐，这是一个名为“螺旋、超星系团、细丝、墙(以迈克尔·安德森命名)”的项目。这个项目是为了纪念安德森的一生，他和其他宇航员一起在2003年哥伦比亚号航天飞机事故中丧生。马丁“把细丝想象成巨大的小提琴弦”，把细丝的质量转换成以中音c为基础的频率。
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