UFO中文网

 找回密码
 注册会员

QQ登录

只需一步,快速开始

快捷导航
搜索
查看: 578|回复: 1

仰望星空观测宇宙的时候 就像看一场歌剧

[复制链接]
发表于 2016-1-10 01:52:08 | 显示全部楼层 |阅读模式
从古到今,人类无数次地仰望天空,并寄予了天空永远是宁静和谐的美好想象。直至50年前,天文学家也仍然认为宇宙是个安宁的地方。

  但在哈勃太空望远镜的眼里,宇宙有着另一番景象:物质聚集的地方充满了暴力,有壮丽的出生和惨烈的暴死。宇宙和我们的自然界一样,也是弱肉强食。
  1666年,牛顿在花园散步时,突然想到重力,它的作用让一个苹果从树上掉到地上。重力是否仅局限于在地球周围的有限距离里,难道不能延伸到更远的地方吗?(图1)

  20年后,牛顿在其光耀史册的《自然哲学的数学原理》一书中,发表了万有引力定律,指出:“宇宙中每个质点都以一种力,吸引其他各个质点。天上的星体运动和地面上的物体运动都受到同样的规律――力学规律的支配。”(图2)

zjkx20120314-4-l.jpg

  在哈勃太空望远镜的视野里,这种力学规律所编排的节目让宇宙永不宁静:这里有星系的舞蹈、引力的魔镜、黑洞的抛球表演,犹如宇宙盛大的马戏演出。宇宙是如何利用“引力”控制星系和黑洞进行表演的呢?我们先到宇宙中物质最密集的地方――星系和星系团看看吧。我们所在的银河系从外面看,像个从中心甩出两条长臂的大飞盘,整个系统在慢慢旋转;在星体之间充斥着大量的气体与尘埃;在远离中心的位置,其中一条旋臂之外,银河系的边缘,有个小小的恒星系,那就是我们的太阳系。(图3)(图4)


  当我们仰望晴朗夜空时,能看到距离地球最近的5000颗恒星,更远的就太微弱了。因为空气中漂浮着的尘埃,会弱化星光,若没有望远镜,我们只能看见银河系的一角。银河系中有两千亿颗恒星,其中的很多都同太阳相似。天文学家还相信,在宇宙中有上千亿个类似银河系的星系。


  作为宇宙最基础的组成部分,这上千亿个星系是怎样形成与演化的?这是探索宇宙最基本的问题,也是20年来哈勃太空望远镜捕捉到的最大量的内容。
  哈勃望远镜在其他天文台的协作下,已经对天空中的几小块区域进行了长时间曝光,把迄今最遥远、最古老的星系的面貌展现在了我们眼前。

  这些早期星系离我们很远,所以很暗。在早期宇宙,这些星系形成时都很小,要分辨出星系的细节需要很大的分辨率,只有哈勃才能把这些星系拍得很清晰。(图5)
  这些超精细图片揭示了早期宇宙的细节,当时的宇宙年龄仅有几亿年,大约是现在宇宙年龄的5%。与现在的星系相比,那时的星系尺寸小,形状更不规则。哈勃望远镜拍摄的这些照片,成为建立现代星系形成模型的关键。


  2003年5月7日,哈勃望远镜对仙女座大星系外围的星系晕进行观测,发现这里恒星的年龄千差万别:最古老的有110亿年到135亿年,最年轻的只有60亿年到80亿年。
  天文学家发现有些星系是由不同年龄的恒星形成的,一种解释是等级式的结构演化,即一个星系形成过程中要吞并其他一些小星系,形成了星系里有各种年龄的恒星,就像小孩闯进了养老院。
  与此相反,我们的银河系中没有大量年轻的恒星。因此,尽管仙女座大星系和银河系外形相似,但哈勃望远镜的数据显示,这两个星系的成长史迥然不同。这一发现加深了我们对星系形成的理解。
  在夜空中,我们的银河系像一条永恒的乳白色带子,宇宙看起来好像也是静止的。这是因为人类的生命只不过是宇宙时间中的瞬间而已。实际上,宇宙处在永恒的运动中,只有通过长时间观察,才能感受到星空的运动,看到运动中的恒星和星系。恒星围绕银河系的中心旋转,星系依靠引力相互吸引,有时甚至会发生碰撞。哈勃望远镜就观测到了无数冲撞在一起的星系。
  星系们就像漫漫长夜中行驶在星海里的巨轮,彼此不断地接近,直到引力的相互作用最终将它们压缩成复杂的结构,相互交织在一起。这是一场由引力编排的宇宙舞蹈。
  两个星系发生碰撞的景象,像是钩在一起的两根手指头。星系中的大多数恒星,会在星系冲撞中幸免于难,引力会将恒星连同气体尘埃一起抛出,绵延数十万光年,甚至更长。实际上,再经过上亿年,两个星系最终会合并为一个组合星系。(图6)

zjkx20120314-2-l.jpg


  人们认为现在的许多星系包括银河系,是由许多小星系经过数十亿年组合而成的。由于星系间巨大的相互作用,本由气体烈焰形成的恒星生出了壮丽的高温蓝色星团。我们的银河系也将要同另一个离我们最近的大星系仙女座星系相撞,它们以每小时50万公里的速度接近,30亿年后将从正面相撞,会导致两个星系壮烈合并。在撞击过程中,银河系将改变形状,再也不是我们所熟悉的螺旋形,取而代之的是一个巨大的椭圆星系。那时的银河系不仅包含自己原有的恒星,也包含了所有仙女座星系的恒星。
  是什么样的力量能让拥有上亿个恒星的星系相互碰撞呢?这些力量又来自哪里?
  我们相信在宇宙中仍然有很多操纵着我们周围事物的隐秘力量,其中就有黑洞。黑洞巨大的质量,是影响周围天体的原因。黑洞在宇宙引力剧场里是主角,它表现活跃、花样繁多、手法独特。有人形容黑洞是“宇宙中的神秘恶魔”,因为它会吞噬一切靠近的东西。对于天文学家来说,黑洞中心是最难解的谜。黑洞强大的引力,封锁了所有信息,连光都无法逃逸。所以,我们也无法得知那里到底有什么。(图7)


  然而,我们怎么去研究它?又如何去寻找到一个看不见的点呢?


  用太空望远镜对准一个星系的中心,测量那些离中心非常近的恒星的运动,发现它们运动速度非常快。
  这些靠近星系中央的恒星在高速旋转,这不是恒星的正常状态,因为大多数恒星都以相对较慢的速度运动。这肯定是因为有质量超大且体积超小的东西存在,只能有一个理由来解释这种现象――那里有个黑洞。



  长久以来,天文学家一直怀疑一些大星系,比如我们的银河系的中心有一个特大质量的黑洞正在吞噬恒星、星云和周边路过的物质。银河系中心存在着如此密集的恒星,地面望远镜只能看见由成百上千颗恒星挤成一堆的斑驳的星光。而哈勃望远镜高分辨度的图像让我们看到每一颗独立的恒星,以及它们围绕银河系中心的运动。这些恒星的移动速度远远超过正常值,似乎有一个小型的、看不见的强大引力牵引着它们。根据哈勃望远镜观测到的现象,天文学家得出结论:一个黑洞潜伏在银河系中心。
  最早,黑洞是从爱因斯坦的广义相对论推测出来的。现在,借助于空间望远镜,我们终于能看见它了。科学家一直在搜集黑洞的所有信息,希望更多地了解它,现在黑洞的真实面目已越来越清晰了。
  天文学家认为黑洞是单一体,是太空中的单点,无体积、不扩展,但密度无穷大。巨大恒星死亡塌缩后的“尸体”质量太大,以至于自然界中没有任何力量能阻止它将自己压缩成无穷小的体积。虽然物质表面上是消失了,但它仍然有巨大的引力,恒星和其他靠近它的天体都会被吸进去。
  黑洞的吸积盘就像恶魔张开的大嘴,一旦有东西,比如一颗恒星被拖进
这个点,我们就再也见不到它了。这颗倒霉的恒星会沿着一条螺旋轨道运动,当它运动到接近黑洞的位置时,离黑洞最近的物质会比恒星的其他部分受到更大的吸引力,黑洞吸吮拉伸恒星,直到将它撕成碎片吞噬掉。(图8)


  黑洞诸多特点中,最令人迷惑的是它巨大的引力可以扭曲时空,改变或放慢时间的进程。尽管任何有质量的物体,都会使时空发生细微的变形,但黑洞对时空的影响就大多了。根据爱因斯坦的广义相对论,一个勇敢的旅行者造访黑洞,他将穿越“视界”,这个“视界”指的是光线不能超出的一定范围,在其以外,什么都看不见了。如果他穿越“视界”,最后没被黑洞吞噬,当他返回时,会发现自己比同龄人年轻。那么,他是否是穿越了广义相对论所假设的另一种奇怪的天体――虫洞了呢?(图9)



  虫洞,类似于在苹果上有一个虫子钻了一个洞,我们看到从表面上的某个地方通过一个小洞联系到另一个地方。现在认为,一个虫洞基本上是一条穿越时空从宇宙的一点到另一点的“捷径”。如果虫洞真的存在,也许有一天它们会使星际旅行比常规的光速旅行更快捷。
  黑洞中存在时空的秘密通道吗?现在还无法得知。根据哈勃太空望远镜提供的证据发现,几乎所有的星系中心都有黑洞。1997年1月13日,哈勃望远镜在对27个星系进行详细考查后宣布,在星系中心,超大质量黑洞是普遍存在的。
  银河系中央的黑洞,也许比那些大恒星形成的黑洞要大上百万倍。天文学家估计银河系的黑洞可能是在早期星系运动中形成的,是许多恒星的黑洞合并的结果。
  当两个星系碰撞时,它们各自中心的黑洞会上演一场精心编排的舞蹈,在星系合二为一后的很长一段时间里,在它们的黑洞最终合并成一个质量极大的黑洞之前,这两个星系仍然会继续相互围绕旋转数万年。


zjkx20120314-1-l.jpg

  这最后过程的力量太大了,以至于改变了我们能够观测到的时空结构。不管是在地面上用全新的引力波望远镜,还是在太空船上,都看不到。然而,同需要数百万年之久的星系合并相比,最后核心合并的惨烈过程相对简短。所以,能看到这个过程的几率很小。
  在这个引力剧场中,星系的碰撞,类星体的光芒,伽马射线爆炸,都与黑洞有密切联系,它是这些节目的导演(图10)
  “黑洞”是物理学家和天文学家早就在设想的一种可能存在的天体,然而它是否真的存在呢?20世纪90年代中期,大家开始认为这个天体很可能是存在的。而且有一类天体叫类星体,是通过别的手段发现的,大家猜想它是否就是“黑洞”呢?
  最初,类星体被认为就是一些普通的恒星,因为看上去它们就是一些很亮的扁圆。后来,人们偶然发现,这些天体离我们如此遥远而又那么明亮,说明它们的能量极其巨大,在以非常高的能量发光。这些奇异的天体究竟是什么呢?


  恒星运动到离黑洞很近时会被撕裂,好比水从一个巨大的水槽漏下去。螺旋状气体形成了一个很厚的盘。恒星在向黑洞自由降落过程中温度升到极高,气体向上方空间爆发能量。这种类星体现象在宇宙的星系里可以找到不少,许多都在猛烈地发生着。
  当物质往黑洞里落时,会产生两类现象:一是它的能量会转变成辐射;另一类是它会把很多物质抛出来。
  这种把能量转换成辐射的现象表现为类星体;把落入的物质抛出来的现象,表现为伽马爆。这是黑洞两类主要的表现形式。(图11)
  最初发现这些爆发的美国科学家并不理解这种现象,因此作为军事秘密没有发表;有段时间,他们甚至怀疑是不是太空武器,是不是有太空战,在向地球不断地发出像伽马射线枪那样的辐射。


  这些伽马射线高能爆发,每天至少能从天空中任意方向探测到一次。虽然伽马射线爆只持续几秒钟,但它释放的辐射量足以同银河系几百年释放的辐射量抗衡。人类肉眼看不见的伽马射线,只有通过特殊的仪器才能探测到。30多年来,没人知道到底是什么引起了射线爆。伽马射线就像掠过地球的子弹,可我们却看不见发射它们的枪。
  多年来,哈勃望远镜同世界上几乎所有的望远镜都在寻找那些“还在冒烟的枪”,各种望远镜观测天空中爆发出伽马射线的位置,但一无所获。直到1999年,哈勃望远镜有了重要发现,基本上证实了这些恐怖的射线爆发生在很遥远的星系。可能是由大质量恒星塌缩引起的;或是由两个密度极大的天体猛烈相撞造成的,比如两个黑洞,或是一个黑洞与一个中子星。


zjkx20120314-3-l.jpg

 伽马射线爆虽然恐怖,但从天文学讲,它可以帮助我们研究宇宙的演化。由于最远的伽马射线所发生的地方,是处于宇宙从黑暗时期到光明时期的过程中,因此可以利用它研究宇宙是如何突破黑暗时期的。
  但在宇宙中到处放枪的伽马爆是危险的“恐怖分子”,我们必须小心它,时刻关注它。如果伽马射线爆直接冲着地球而来,它强烈的辐射会使地球大气层的化学成份发生改变。比如,如果臭氧层被改变,将使地球暴露在太阳紫外线中,威胁地球上的生命。
  今天,在地球周围运行的伽马射线天文卫星,平均每天看到一个左右的伽马射线爆,表明在宇宙中几乎每时每刻都在产生伽马射线爆的爆发。如果它离我们很近,就能摧毁地球。幸运的是,到目前为止,还没有离我们特别近的伽马射线爆。


  任何剧场的演出不可能内容和风格一直没有变化。在引力主导的宇宙剧场中,既有星系舞蹈的文戏,也有类星体和伽马射线爆发的武戏,还有抽象的怪诞戏。它通过幻象反映真实,让我们看到宇宙更深遂的地方。有可能是黑洞引力产生了它,所以它的样子有点怪诞,名字叫作“引力透镜。”(图12)
  黑洞是宇宙中最奇异的天体,会以惊人的方式影响周围物体,它的引力场甚至能使光偏转。实际上,靠近黑洞的光线不会继续沿直线传播,而是改为新的路径传播。这样形成一个天然望远镜,使我们比想象中看得还要远。
  正如在沙漠里迷路的人会看到海市蜃楼,那是由于遥远物体的光,被沙子上悬浮的热空气弯曲了。宇宙中也能看到海市蜃楼,用现代望远镜,比如哈勃望远镜观测到的“海市蜃楼”,不是由热空气引起的,而是来自遥远的星系群。


  很久以前,一些人认为地球是平的,这是因为在日常生活中我们看不到整个地球;实际上,宇宙空间是弯曲的,即使我们在星光灿烂的夜晚也看不到这个现象。
  但正是弯曲的空间,造成了可供我们观测的这种现象。爱因斯坦的预言之一即是引力可以扭曲时空,进而使光线偏折:好比池塘中的涟漪使池底的沙子看起来像扭曲的蜂窝;遥远星系的光线在射向地球时,被巨大星系群的引力场扭曲放大了,就像透过一枚巨大的放大镜看东西,这个现象就叫引力透镜。
  引力透镜现象是由于有质量的物体,对光线的路径发生了改变。所以,我们看见的背景物体,它的形状和大小都发生了变化;此外,它跟引力透镜本身的强度直接相关,就像放大镜一样,放大倍数大,看到后面的背景物体也大。


  当光线遭遇质量很大的天体时,会根据“透镜体”的性质,变成不同的古怪形式,也就是说这种背景天体会以几种外观出现。爱因斯坦认为,整幅图像会被挤压成一个光环;遥远星系的原本面目被克隆出多个幽灵般的复制品,或者被扭曲成香蕉状,就像光弧。
  虽然爱因斯坦在1915年就意识到太空中有这种现象,但他却认为在地球上是观测不到的。然而目前,遥远天体的引力图像,已被人类所掌握的最好的望远镜观测到了。(图13)
  哈勃望远镜是第一个能看到各种小光弧细节的望远镜,直接揭示了背景天体的内外结构。2003年,天文学家推导出哈勃照片上的一个神秘的小光弧,是我们所见过的宇宙中最大最亮最热的产星区。(图14)


  迄今为止,已经观测的引力透镜,主要是包括数十万星系的星系群,那是宇宙中最大的引力组合结构。
  在哈勃望远镜拍回的清晰照片上,凭借肉眼就能将同一背景星系的不同光弧联系在一起。由此,天文学家借助引力透镜现象,可以研究更古老的宇宙中透出的一鳞半爪。2004年,利用太空中引力透镜的放大作用,哈勃望远镜观测到了已知宇宙范围内最遥远的星系。
  宇宙的大舞台上,你方唱罢我登场,星系的碰撞、黑洞、引力透镜……关于宇宙还有无数谜题在等待解答,比如,时间有尽头吗?在宇宙最初的洪荒中到底发生了什么?好奇心牵引着人们,要到最古老的宇宙去看一看。


发表于 2016-1-13 17:36:41 | 显示全部楼层
太美了,窒息的感觉
来自UFO中文网客户端来自UFO中文网客户端
您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册会员

本版积分规则


快速回复 返回顶部 返回列表