海外文摘――天文学中的五大问题




天文学中的五大问题
David J. Eicher　文　Shea　编译
	科学从来没有如此得靠近过宇宙中最神秘问题的解答。　　计算机的屏幕上出现了一个暗弱的光点。在远程天文台控制室里，天文学家正注视着它，希望它是一颗遥远的爆发中的恒星。天文台外面的地貌则堪比火星。碎裂的岩石和陡峭的山峰支撑起了天文台的钢制圆顶。位于4,200米高的休眠火山之上，美国夏威夷的凯克天文台几乎把所有的云都踩在了自己的脚下，它也由此每天晚上吸引了不同国家的天文学家呼吸着瓶装氧气来到这里收集宇宙的信息。　　今晚天文学家关注的是来自爆炸恒星的光线。我们的银河系包含超过2,000亿颗的恒星，太阳仅仅是其中之一。这些恒星中质量最大的会以爆炸的方式结束自己光辉的一生，并且把重元素抛射到周围的银河系空间中。这些超新星爆发是自宇宙大爆炸以来我们所目睹的最剧烈的事件之一。我们体内的绝大部分化学元素都是在这些爆炸的恒星中形成的。　　超新星不仅使生命成为了可能，它们还向天文学家诉说了宇宙的过去。它们能告诉我们宇宙膨胀得有多快、宇宙中有多少物质。对这些关键问题的答案将引发一场天文学和人类对我们从何处来以及为什么我们会在这里的认识的革命。 [图片说明]：来源：Science Photo Library/Alamy Stock Photo。一、大爆炸是如何发生的？　　我们知道宇宙始于“大爆炸”——一个巨大的时空爆炸，把物质和能量送入虚无。从爱因斯坦的广义相对论到20世纪60年代探测到宇宙微波背景辐射，再到1992年探测卫星确认微波背景辐射中存在微小涨落，大爆炸的证据比比皆是。但正如人生一样，细节之处见精神。　　大爆炸产生了物质、能量、空间和时间所有这一切，宇宙在那一刻的密度和温度都是无穷大。经常被问及的一个问题是“大爆炸之前是什么？”。这个问题超越了科学的范畴，因为科学根本没有办法回答它。事实上，目前的科学只对大爆炸之后几分之一秒的宇宙有了较好的认识。　　大爆炸之后，随着膨胀，宇宙开始冷却。然而就在膨胀了远远不足几分之一秒之后宇宙却经历了“暴涨”——急剧膨胀。暴涨解释了许多仅用大爆炸难以解释的现象。在暴涨之后，宇宙放慢了膨胀的速度，但仍然在继续膨胀。同时它也在大幅冷却，使得物质从能量中“凝聚”出来。　　在宇宙大爆炸后大约1秒形成了氢、氦和锂等元素。再经过一万年，宇宙冷却到了引力开始占主导的温度，我们今天所看到的宇宙结构开始发育。37万年之后，宇宙开始变得透明。物质和辐射最终分离了开。　　此时星系、恒星和行星的种子已经播下，空间和时间也开始向今天我们所看到的样子演化。二、什么是暗物质？　　宇宙中充满了未知。其中最奇特的一个就是宇宙包含了大量不可见的物质形式。为了了解这些暗物质，天文学家会试图用多种方式来“称”量宇宙。他们由此观察到了从小到大暗物质对天体的不同影响。　　20世纪30年代荷兰天文学家奥尔特通过研究太阳附近恒星的运动第一个预言了暗物质的存在。由于我们的银河系并没有解体，因此他提出必须要有足够的物质才能保证恒星不会飞出银河系。然而，可见的物质似乎并不足以防止恒星逃逸。于是奥尔特推测，在太阳附近暗物质是发光物质的3倍。　　更强的证据来自稍后天文学家对星系中恒星转动的研究。根据牛顿定律，围绕星系中心公转的恒星其速度会随着到中心距离的增加而急剧减小。但实际观测却发现无论恒星的距离有多远，它们的公转速度几乎都相同。对此的解释是，在星系中可见物质的外围还有一个由大量暗物质所组成的晕。　　对星系团的研究则提供了暗物质存在的其他线索。同样也是在20世纪30年代，美国天文学家兹维基在距离地球约300亿光年的后发星系团中发现了更多的暗物质。他发现可见物质只占维系整个星系团免于瓦解所需物质的10%。暗物质可能构成了宇宙物质的90%。　　那么，什么是暗物质？这是目前宇宙最大的谜团之一。它可能是微观粒子渺中子，还有可能是奇特的天体例如褐矮星、白矮星、中子星或黑洞。其他可能性则包括诸如轴子、大质量中微子、超光子或者是处于星系间的氢等。　　但不管暗物质是什么，它们在很大程度上决定了宇宙的未来。如果有足够多的暗物质，它最终会阻止宇宙的膨胀。三、星系是如何形成的？　　天文学家对早期的宇宙所知不多。恒星、星系或者黑洞哪个先形成？婴儿期的宇宙是一片由高温气体和暗物质组成的均匀“海洋”。根据对宇宙微波背景辐射的测量，天文学家认为在宇宙大爆炸38万年之后宇宙冷却变得透明，此时物质开始成团。在宇宙大爆炸之后大约5亿年形成了恒星和星系等结构。但是没有人确切知道物质最初是如何成团的。　　对星系形成的研究可追溯到美国天文学家巴德，他研究了星系中的恒星并试图解释星系是如何形成的。做为20世纪50年代美国威尔逊山天文台的主要天文学家之一，巴德发现银河系外围的一群恒星仅含有少量的金属（在天文学中金属指所有比氢和氦更重的元素）。这些恒星都非常古老，年龄大约为110亿年。在银河系中，重元素都是由恒星制造的，超新星爆发以及其他过程会把它们播撒到星际空间中。参杂有这些金属的星际物质又会形成新一代的恒星，因此通过所含金属的多少就能判断出恒星的代别——第一代恒星不含金属，越往后越多。　　巴德的发现催生出了20世纪60年代的一个星系形成模型。这个模型认为，星系形成于气体云的坍缩。在引力的作用下，下落的气体最初会形成一个椭球形的晕。在晕中会形成恒星。随着越来越多的气体聚合到一起它开始旋转并且变得扁平，最终形成了星系盘。在这个过程中，晕中恒星超新星爆发抛射出的金属会混入其中，导致了星系盘中更为年轻一代的恒星拥有较高的金属性。　　一个与之不同的想法是并合理论。根据这个理论，在早期宇宙中原星系——主要是气体团块——会互相吸引、碰撞并最终合并形成星系。随着时间的推移，不同规模的并合过程会形成不同的星系。事实上，天文学家们越来越相信，绝大多数的星系乃至宇宙中更大尺度的结构是通过这一方式形成的。　　天文观测也支持了这一理论。哈勃空间望远镜拍摄到了大量非常遥远的星系，其中许多可能就是原星系。它们正是构建今天我们所看到的巨型星系的原材料。一些天文学家认为，我们的银河系也许就形成于100以上小型星系的并合。　　目前还没有人知道，是先形成恒星、然后由恒星组成的星系，还是气体先聚集成星系、然后从气体中再形成的恒星。除了这两种方式之外，第三种可能性是，在物质密集的地方黑洞先形成，接着它把气体吸引到自己的周围。黑洞在吞噬这些气体长大的同时，幸存下来的气体就演化成星系。由此，在许多大型和中型星系的中心都会存在一个超大质量黑洞，它们也是驱动星系活动的中央引擎。目前的天文观测已经证实，几乎所有大型星系的核心都拥有超大质量黑洞。　　计划于2014年发射的詹姆斯·韦布空间望远镜将从源头上来回答这个问题。它的“星系形成”研究项目将致力于观测大量古老的星系，从而来了解它们的形成过程，搞清楚黑洞在整个过程中到底起了什么样的作用。四、宇宙有老？　　在过去一个世纪里，天文学家已经想出了几种方法来估计宇宙的年龄。使用这些方法，它们都可以把宇宙目前的年龄限定在一个范围之内。现在对这个问题的回答和20、30年前相比已经精确得多，但它也许是永远也无法最终确定的，因为“宇宙的年龄”取决于你所用的测量方法。　　目前最广为接受同时也被认为最精确的宇宙年龄来自对“哈勃常数”的测定。哈勃常数描述了宇宙膨胀的速度，这同时也等价于星系间彼此远离的速度。为了测定哈勃常数，天文学家需要观测遥远星系并且确定出它们到地球的距离以及它们远离地球的速度。由此就能计算出哈勃常数。一旦得到了哈勃常数，通过一个简单的数学公式天文学家便能得出宇宙的年龄。用这个方法得到的数字为137亿年。　　其他确定宇宙年龄的方法则基于测量宇宙中最古老天体的年龄，这可以提供宇宙年龄的下限。通过测量放射性物质的衰变，精确测定出了地球上最古老的岩石年龄为38亿年，太阳系中最古老的陨石则为46亿年。对老年的恒星运用这一技术定出宇宙的年龄为120～150亿年。测量老年恒星中的铀衰变定出的宇宙年龄则为125亿年。　　另一条途径是测量古老星团的年龄。通过观测球状星团中最明亮的恒星，天文学家可以确定出它的年龄上限。最近对众多球状星团的研究表明许多最古老的恒星年龄都在120亿年左右。　　白矮星也可以用来限定宇宙的年龄。白矮星是类太阳恒星死亡后留下的地球大小的残骸。通过寻找最暗、最古老的白矮星，天文学家可以测定出它们冷却的时间。这一方法把银河系中银盘的年龄定在了大约100亿年。天文学家认为银盘形成于宇宙大爆炸之后约20亿年，由此推算出的宇宙年龄至少为120亿年。　　目前这些间接的方法正在变得越来越精湛，误差越来越小，计算出的宇宙年龄也越来越精确。不过，大多数天文学家还是把137亿年做为现在对宇宙年龄最好的估计值。五、宇宙的尺度有多大？　　关于宇宙的大小有两场大辩论。1920年4月，天文学家沙普利和柯蒂斯在美国华盛顿史密森研究所自然历史博物馆的大礼堂里就宇宙的大小进行了辩论。柯蒂斯认为，宇宙是由许多独立的“岛宇宙”——即位于银河系之外的遥远恒星系统“旋涡星云”——构成的。沙普利则认为，旋涡星云只不过是银河系内的气体云。他进一步把太阳放到了银河系的边缘，而柯蒂斯则认为太阳靠近银河系的中心。关于宇宙的大小柯蒂斯是对的，然而关于太阳在银河系中的位置他是错的。沙普利正好和他相反。　　随着各种测量星系距离的方法的不断出现，两个阵营的天文学家在1996年就哈勃常数——关系到宇宙膨胀的速度——的不同数值举行了第二次大辩论。宇宙的年龄和尺度是相关的，都取决于哈勃常数。在沙普利和柯蒂斯辩论的同一个大礼堂里，研究星系的天文学家范登伯格和塔姆曼就这个问题展开了辩论。范登伯格提供的证据表明宇宙的年龄和尺度都比较小，而塔姆曼则认为宇宙的年龄和尺度都较大。由于没有足够的数据，当时的天文学家无法就此达成一致。　　尽管如此，天文学家根据过去100年的观测还是可以为最终的结果设定一些限制。而首先要说明的是，这里所指的“宇宙”是“可观测宇宙”。如果暴涨理论是正确的，宇宙可能远远大于我们所能看到的范围。使用最强大的望远镜，天文学家可以看到100至130亿光年远的星系。（1光年大约相当于10万亿千米。）但是，由于空间自身在膨胀，因此可见宇宙的“视界”大约有200至260亿光年远。因此，可观测宇宙的边界距离我们至少460亿光年——这也被称为“粒子视界”。然而，可见宇宙就像一个“球”，直径至少有930亿光年。　　真实的情况可能会更为怪异。宇宙暴涨也许会发生在我们视界之外的许多地方。因此可能还存在着我们无法探测到的宇宙。即使没有其他宇宙的存在，我们所生活的这个宇宙其直径至少也有885,000,000,000万亿千米。
[Astronomy 2010年03月]

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