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天文学十大发现
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Joanne Baker 文 Shea 编译 |
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这些天文发现彻底改变了我们对宇宙的认识。 相比于其他任何的学科，天文学中的发现更多地转变了我们对自己的认知。从古希腊人相信的我们居于宇宙的中心到现在的无足轻重，人类只不过是数百亿个星系里一个中等大小星系中一颗行星上的居民。 宇宙也许已经接受了人类错综复杂的探测，但它却依然让人敬畏。它巨大、空旷、另类——充满了超新星爆发和汹涌的辐射。然而,它也是一个美丽的地方，激励着人类建造更大的望远镜、发射更多的探测器来拍摄五彩的星云、星系以及探索太阳系的边缘。 技术的每一次发展都会带来一些突破。但是在如此众多的天文发现中哪些最具有影响力？这里将列出天文学家们票选出的前十名。 10.木星的卫星 伽利略，1610年  望远镜的发明使得伽利略在1610年发现了木星4颗最大的卫星。在木星盘面的一侧，他看到了4个亮点，它们缓缓地往复运动。它们不远离木星的这一特性说明它们是绕木星运动的。这意味着并不是所有的天体都围绕地球或者甚至太阳运动。 和金星盈亏、太阳黑子以及土星光环一起，伽利略在他的《星际使者》一书中公布了这些发现。他引发了一场骚乱，尤其是教会对他人类不在宇宙中心的主张深感惊悸。深信自己的所见且不听从教皇改变他想法的要求，伽利略因宣扬地球绕太阳运动而被软禁。 大约400年后，木星的卫星重新变得时髦。它们是太阳系中搜寻地外生命的最有希望的场所之一。已经有几个探测器拜访木星：“先驱者”10号和11号（1972年-1975年）、“旅行者”1号和2号（1979年）以及“伽利略”木星探测器（1995年-2003年）。它们发现这些最大的卫星极为与众不同。被硫磺所覆盖的木卫一有着活跃的火山活动，还不时会喷发出气体——这是人们第一次在地球之外看到火山喷发。木卫三是太阳系中最大的卫星，其自身便具有内部磁场。木卫四古老的表面则遭受到了小行星撞击的重创。 木卫二则具有太阳系中最平滑的表面。其表面的水冰纵横交错着裂缝，说明它经历过融化和重新封冻的过程，在冰层的下方也许仍有液态水存在。科学家想派一个探测器去钻探木卫二的冰层，以进入它的冰下海洋。那里可能既温暖又充满了能滋养原始微生物的化学物质。如果能找到生命的迹象，木星的卫星将会再一次撼动人类在宇宙中的位置。 9.天鹅61的视差 贝塞尔，1838年  星星距离我们有多远？通过测定近距恒星天鹅61的距离，1838年贝塞尔回答了这个问题。他所用的方法被称为恒星视差。当地球在绕太阳运动的时候，我们的视角会发生变化。于是，恒星的位置看上去就会发生变化。距离我们越近的恒星，这个变化就越明显。恒星位置变化角度的大小可以告诉我们它们有多遥远。 对于天鹅61而言，贝塞尔测得的视差非常微小：在天空中不足0.5个角秒，差不多相当于从5千米外看一枚1角硬币的大小。这说明天鹅61到地球的距离应该大于10个光年。10光年等于光跑10年的距离，而光速为每秒30万千米。这意味着即便是距离我们最近的恒星，它们其实也非常遥远。而我们所居住的银河系极其之大，即便是使用现在最好的测量卫星——“依巴谷”，天文学家也仅仅测量了大约100,000颗恒星的视差，不足银河系中恒星总数的百万分之一。 8.恒星核合成 霍伊尔、伯比奇夫妇和福勒，1957年  在20世纪40、50年代，当核物理学走上前台的时候，天文学家意识到化学元素是在恒星内部锻造的。其中的秘方就出自1957年由4位英国天文学——伯比奇夫妇、福勒和霍伊尔——所撰写的一篇著名论文。 恒星之所以发光是因为其高温、高密的核心正在进行核聚变反应，把轻元素组装成重元素。占据恒星绝大部分的氢聚变成了氦，其他一系列的反应则合成了碳、氮、氧以及直到铁的所有元素。这些反应十分缓慢，对于太阳这样一颗普通的恒星而言要花上数十亿年的时间才能烧尽它的燃料。即便太阳明天就熄灭其中心的炉火，它仍会继续发光达几百万年。核聚变的结果是产生了构成行星的化学成分并供养了生命。当恒星死亡时，它会爆炸或者抛射出外部包层，化学元素会被抛撒入太空，进而被再一次使用。 7.太阳光谱 沃拉斯顿，1802年；夫琅和费，1814年  当阳光穿过一个玻璃棱镜时，会散开成五颜六色的光谱。如果你自己端详，还会发现其中有类似条形码的黑线。这些线位于太阳光谱的特定波段上，那里的能量被太阳大气中不同类型的原子或者离子吸收了。 虽然早在1802年英国化学家沃拉斯顿就率先报告了这一发现，但1814年德国物理学家夫琅和费也独立地发现了这些吸收线——现在被称为夫琅和费线。他列出了超过500根的吸收线，而现如今我们已经观测到了数千根。它们所精确对应的能量可以告诉我们太阳的化学成分，例如氦、氮和氧等。 太阳光谱的发现昭示着研究恒星和其他天体所发出光线的光谱学的诞生。在20世纪初，天文学家根据光谱对恒星进行了分类，而这最终又反映出了恒星的质量、温度以及年龄。从中我们了解到了恒星是如何从明亮、蓝色的年轻恒星演化成暗弱、红色的老年恒星的。 光谱学还给了我们其他的突破。吸收气体的运动会导致它所产生的吸收线在光谱中的位置发生移动，使之成为了有用的运动传感器。天文学家用这个方法了发现宇宙的膨胀和数百颗的太阳系外行星。 6.哈勃定律 哈勃和赫马森，1929年  [图片说明]：哈勃（1889年-1953年）。 一个世纪前，我们认为天空中的所有东西，从恒星到暗弱的“旋涡星云”，都是银河系的一部分。使用当时世界上对大的胡克望远镜，天文学家哈勃测量了这些“星云”的光谱，证明它们其实是遥远的星系。 通过研究造父变星的距离，1929年哈勃和赫马森发现，遥远星系的谱线都朝光谱的红端发生了偏移——红移。星系越遥远，谱线的红移量就越大。这就是哈勃定律，它说明这些星系都在远离我们。就此，哈勃发现宇宙正在膨胀。 2001年哈勃空间望远镜测量了宇宙的膨胀速率，这个数值为72千米/秒/百万秒差距（1百万秒差距约等于330万光年）。 5.广义相对论 爱因斯坦，1915年  爱因斯坦是一座丰碑，他提出了一个至今仍未受到挑战的伟大理论——广义相对论。它把空间和时间编织进了一个4维的结构，称为时空。大质量天体会扭曲其周围的时空，就像在一张橡胶垫上放一个保龄球。在它附近扔出一个高尔夫球，后者的轨迹会是一条弧线，这也正是光线掠过太阳或者行星绕太阳转动时所发生的。 爱因斯坦于1915年发表的这个想法在1919年的日全食中得到了验证。英国天文学家爱丁顿发现，靠近太阳边缘的恒星位置确实发生了变化。广义相对论的其他预言也经受住了检验。它们包括1979年发现的一个遥远类星体被一个星系团引力透镜所产生的多个影像、居于绝大多数星系中心的黑洞以及被称为引力波的时空涟漪的间接证据。 4.外星行星的兴起 沃尔兹刚和弗雷，1992年；梅厄和奎洛兹，1995年  [图片说明]：使用各种方法至今已经发现了超过500颗的太阳系外行星。版权：NASA/JPL-Caltech。 随着技术的进步，它会带来新的发现。最近的一大突破是发现了围绕其他恒星公转的行星——外星行星。在历经了几个世纪的搜寻之后，1992年天文学家沃尔兹刚和弗雷使用阿雷西博射电望远镜发现了绕一颗脉冲星转动的两颗行星。 现在，光学望远镜上的设备已灵敏到能探测出由于行星从恒星前方经过而导致的恒星亮度下降。此外，较大的行星还会使得它的宿主恒星发生微小的前后运动，导致其星光的频率发生往复的漂移。1995年天文学家梅厄和奎洛兹发现了第一颗绕类太阳恒星公转的外星行星。从那时起，使用这些方法已经发现了超过500颗的太阳系外行星。 迄今所发现的外星行星都和我们太阳系的相距甚远。由于靠近恒星的大质量行星更易探测，因此绝大多数发现的外星行星都是和木星相似且公转轨道比水星还小的热类木星。对位于某颗恒星宜居带中的类地行星的搜寻目前正在开展，它们是有可能存在有生命的星球。美国宇航局的开普勒空间望远镜最近发现了1,235个外星行星的候选体，其中有5个是位于宜居带中的地球大小的行星。不要走开，也许第一个外星地球说不定马上就会得到确认。 3.日心宇宙 哥白尼，1543年  [图片说明]：哥白尼提出的以太阳为中心的宇宙体系。 天文学的历史充满着了解夜空中恒星和行星运动的渴望。古希腊人知道，随着天空绕地球的转动，星座的形状不会发生变化，即组成星座的恒星是静止的。然而，行星却并不是这样，它们会穿行于群星之间。实际上，“行星”就是“行”星。 偶尔地，行星会向后运动，称为逆行。在16世纪，哥白尼意识到行星的逆行可以用行星绕太阳而非地球来解释，由此建立了一个“日心”模型。他于1543年公布了这个想法。由于太过激进，他等到临终前才发表了它。因为当时的教会把人类以及地球放置在宇宙的中心。又过了大半个世纪，哥白尼的想法才得到了验证。开普勒给出了描述行星轨道的精确方程，伽利略则于1610年发现了木星的卫星和金星的盈亏。而日心模型被广为接受则又花了数百年。 但是这一发现彻底改变了我们的世界观——人类不再特殊。 2.宇宙微波背景 彭齐亚斯和威尔逊，1965年  哈勃发现了宇宙正在膨胀，暗示宇宙在过去会比现在更小。宇宙甚至可能爆炸自100多亿年前的一个奇点——大爆炸。诞生自一个火球，年轻的宇宙极为炽热。 虽然会逐渐冷却，但这些热量会遗留到今天，形成一个贯穿整个天空的暗弱微波海洋。1965年美国贝尔实验室的两个物理学家彭齐亚斯和威尔逊用他们的无线电天线发现了它。起先他们认为它是天线中的鸽子粪便所产生的弱噪音，但在听说了大爆炸理论之后他们意识到了这一发现到底是什么。 宇宙微波背景辐射是支持大爆炸理论的最强佐证。已经有多个空间探测器观测过微波背景辐射，发现了其中一系列微小的温度起伏区，它们的大小能让天文学家测量出宇宙的几何特性。 1.万有引力 牛顿，1687年  [图片说明]：牛顿。 与天文观测相对，引力是一个科学理论。牛顿对引力的概念化是现代天文学的核心。据传当牛顿看到从一颗树上掉下来的苹果时，他想统一宇宙和地球。他的想法简洁而优雅——宇宙中的万物都遵循相同的物理规律。主宰苹果落地的规律也会作用于更大的尺度，控制着行星绕太阳的运动。这个力就是引力。 它施加在物质上，把它拉向另一个物体。它的强度正比于两个物体质量的乘积，反比于两者距离的平方。引力像胶一样维系着太阳系的成员。1687年牛顿发表了他的引力理论。直到1915年爱因斯坦的广义相对论才超越了它，把引力理论推向了极端的条件。 引力是每一个可理解的天文现象的核心。它使得恒星坍缩，触发超新星爆发；黑洞具有极强的引力场，连光也无法逃脱。引力还能解释为什么恒星和星系会从气体云中形成、为什么星系会在星系团组成的网中均匀地分布。星系团是宇宙中质量最大的引力束缚系统，包含了数千个由相互引力所维系的星系。通过观测引力的效应，还可以发现其他的东西。例如，虽然暗物质无法被直接观测，但它们却会施加引力。因此引力会继续充当解开宇宙奥秘的钥匙。 |
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[Sky at Night 2011年5月]
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2001-2019火流星工作组制作
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