正确的提示信息

扫码打开虎嗅APP

搜索历史
删除
完成
全部删除
热搜词
2020-10-03 21:45
百年星空

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),撰文 & 设计:原理,审校:苟利军(国家天文台)


1920年4月26日,距阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)成名约半年后,美国华盛顿的史密森尼国家自然历史博物馆内举办了一场世纪天文大辩论。


天文学家就“螺旋星云”的本质展开了激烈的讨论,换句话说,他们想要知道的是,银河系是否是宇宙的全部?


以哈罗·沙普利(Harlow Shapley)为首的天文学家主张银河系就是整个宇宙,螺旋星云不过是银河系内的一些气体云。而以希伯·柯蒂斯(Heber Curtis)为首的一方则认为,螺旋星云实际上是独立的“岛宇宙”,是可以与银河系相媲美的星系。


这场辩论以谁也没有说服对方结束,关于宇宙大小的迷思仍没有得到解决。


宇宙究竟有多大?


宇宙当中到底包含多少个星系?


宇宙中又有哪些惊奇的事物等待被发现?




1924年,埃德温·哈勃(Edwin Hubble)将当时世界上口径最大的胡克望远镜瞄准了夜空中的仙女座星云,在经历了许多个夜晚的搜索后,他终于找到了自己的目标——一颗明亮的造父变星。


这是一类亮度会呈周期性的变化的恒星,早在20世纪初,一位伟大的天文学家,亨丽爱塔·勒维特(Henrietta Leavitt)就谱写了丈量造父变星距离的方法,她发现了造父变星的光度和周期之间的关系。


根据勒维特发现的定律,哈勃计算出了那颗造父变星的距离,从而确认它不在银河系之内。仙女座星云实际上是与银河系相当的星系。


哈勃的发现不仅为世纪大辩论画上了句点,也让人们意识到,宇宙,远比想象中的巨大。


1929年,在对星系进行观测之后,哈勃再次得出了令人惊讶地结论——距离地球越远的星系,远离我们的速度越快。


这意味着什么?


过去,甚至连爱因斯坦都认为宇宙应当是静止不变的,但哈勃的观测结果却告诉我们,宇宙正在膨胀!


而在哈勃宣布这一发现的两年前,乔治·勒梅特(Georges Lemaître)就曾推测宇宙有一个开端。2018年,为了尊重勒梅特所做的贡献,国际天文联合会(IAU)将他们的发现重新命名为哈勃-勒梅特定律。


二 



弗里茨·茲威基(Fritz Zwicky)或许是天文学领域最不为世人所知的天才。


他的特立独行和桀骜不驯,使他的研究和预测经常被同事忽视。1925年,他进入了位于帕萨迪纳的加州理工学院。那里是一个适合进行研究的地方,在邻近的威尔逊山上,哈勃正使用胡克望远镜进行观测。


1933年,兹威基在研究了后发星系团后发现,星系团中的星系运动速度与已知的引力定律预测不符。


他大胆假设星系团中或许存在着大量看不见的物质提供了额外的引力来源。他将这些物质称为Dunkle Materie(德语,译为暗物质)


一年后,兹威基与沃尔特·巴德(Walter Baade)发表了一篇被誉为“史上最有远见”的文献之一。


他们提出当大质量恒星耗尽燃料时,恒星的核心会剧烈的压缩,以至于大部分电子和质子会挤压形成中子,最终留下一颗致密的中子星。而当时距离发现中子才仅仅过了两年。


他们还提出,恒星核心的内暴会引发外层的巨大爆发,从而形成超新星爆发。


兹威基还预测,超新星爆发会产生高速运行的亚原子粒子,即宇宙射线。


到了1937年,兹威基预测星系或星系团可以充当引力透镜。根据爱因斯坦的理论,当遥远天体发出的光线在经过天体和地球之间的星系团时,光线会像通过透镜一样发生弯曲。兹威基这些看似疯狂的想法在后来都被证明是正确的。




宇宙是永恒存在的?还是有一个开端?勒梅特在上世纪20年代就给出了大胆的答案。


他认为宇宙始于一个遥远过去的炽热初始状态,他将自己的假设称为“太古原子”或“宇宙蛋”。到了1940年代,乔治·伽莫夫(George Gamow)与他的两位学生继续发展了勒梅特的思想,提出了热大爆炸宇宙学模型。他们还预言了在大爆炸不久后,应当还产生了今天仍然弥漫在天空中的热辐射。


1948年的愚人节,伽莫夫等人发表了著名的αβγ论文,解释了元素周期表中的氢、氦,以及更重的元素是如何从大爆炸中创造出来的。


但并非所有人都认同宇宙有个开端的说法。


同样是在1948年,弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)等人提出了稳恒态宇宙模型。这一模型认为随着宇宙膨胀,新的物质会不断地产生。有趣的是,“大爆炸”这一说法,实际上是霍伊尔在1949年为了讽刺伽莫夫等人的宇宙学模型才提出的。


而这一命名也带来了很大的误解,因为这里的大爆炸实际上指的是在过去的某一个时刻,宇宙开始不断膨胀。




1957年的10月,霍伊尔与其他三位科学家发表了一篇长达108页的论文《恒星中的元素合成》,详细地讨论了元素是如何在恒星生命周期的不同阶段形成的。


他们不仅解释了氢转化为氦的核合成过程,也阐明了像碳、氧、硅、铁等重元素的形成,还证明了超新星爆发是如何通过快中子捕获、产生金、铂和铀等元素,是恒星产生了生命所必须的元素,所以“我们都是星尘”。


同年10月,苏联的史普尼克1号在万众瞩目中发射升空。


这是第一颗进入太空的人造卫星,从此拉开了太空竞赛的序幕。


紧接着,史普尼克2号、探险者1号、月球2号......


它们带着不同的使命,相继升空。


在接下来的60几年,从地面上已经发射了许多的卫星和航天探测器。它们有的奔向火热的太阳,有的登上了月球表面,有的飞掠木星的大红斑,有的耗尽燃料坠入土星,有的甚至飞进了星际空间。




1960年代是大发现的时代。


1963年,马尔滕·施密特(Maarten Schmidt)探测到了一个强烈的射电源,类星体3C 273。


类星体看起来像是一个明亮的恒星。之后天文学家发现,其实类星体是星系中央的活动星系核,其中心包含了一个超大质量黑洞,而在黑洞的周围是一个吸积盘,并且会释放出相对论性喷流。


1964年,当阿诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)试图用喇叭型天线找到从通信卫星上反射回的射电波时,接收到了一些未知来源的噪音。他们清理了鸟粪、移走了鸟巢,排除了一切可能性后发现噪音仍然存在。最终他们发现这些噪音实际上正是伽莫夫等人预测的大爆炸遗留下的热辐射,即宇宙微波背景辐射。


这一发现为宇宙起源之争画上了句号。


接下来的几十年,科学家陆续发射了COBE、WMAP和Planck卫星,绘制了越来越精确的宇宙微波背景图。天文学家通过分析宇宙微波背景,可以获取关于宇宙的年龄、形状、成分等信息。


1967年,乔丝琳·贝尔·伯奈尔(Jocelyn Bell Burnell)通过射电望远镜探测到了一度被称作为“小绿人”信号的脉冲星。而脉冲星的本质其实就是快速旋转的中子星。


1960年代初期,天文学家在星际气体中只观测到了少数几种简单的分子,CN、CH、CH+和OH。


到了1968年,查尔斯·汤斯(Charles Townes)将一台射电望远镜指向了在射手座B2的分子云,并发现了氨分子。


今天,天文学家已经在星际介质中发现了约200种不同类型的分子。


除了这四大发现,越来越多的卫星、探测器被送往太空,人类也第一次飞向太空。


尤里·加加林(Yuri Gagarin)在1961成为首个进入太空的人。


尼尔·阿姆斯特朗(Neil Armstrong)在1969年乘坐阿波罗11号抵达月球,成为首个踏足月球的人。




恒星、行星、气体、星系......这些发光的物质都属于普通物质。


上世纪70年代,薇拉·鲁宾(Vera Rubin)和肯特·福特(Kent Ford)发表了对仙女座星系自转曲线的研究。


在观测之前,他们预测看到的星系自转曲线应当与太阳系中的一样。在太阳系中,由于引力的作用与距离的平方成反比,因此靠近太阳的行星的运动速度要比远离太阳的天体快得多。如果把速度与距离的关系画出来,就会看到速度随着距离的增加而递减。


鲁宾等人专注于观测距星系中心不同距离的氢离子区,结果却发现无论氢离子区离中心多远,它们总是以相同的速度运行,而不是像预期中的那样逐渐放慢。


为什么?


有两种可能。一种是在星系范围,引力平方反比定律需要被修改。但所有最严苛的实验和观测都表明现有的引力理论仍然是正确的。另一种可能正如兹威基在上世纪30年代所预测的,星系中充满了大量看不见的暗物质,这也是大多数人所认同的。


但经过了几十年的搜寻,我们仍然没有发现暗物质粒子的本质。


中国的熊猫计划、悟空,以及中国暗物质实验都在通过”上天入地“的方式搜寻暗物质。


1974年,天文学家首次发现了脉冲双星系统,间接证明了爱因斯坦预言的引力波。


1979年,天文学家观测到了引力透镜效应,验证了茲威基曾经的猜想。如今引力透镜也被应用于暗物质的研究。




上个世纪70年代,天文学家逐渐发现,有一些现象是传统的大爆炸模型无法解释的。


例如,为什么宇宙各处的温度几乎都是一致的?为什么宇宙如此平坦?为什么今天的宇宙中没有磁单极子?


1981年,阿兰·古斯(Alan Guth)提出的宇宙暴胀认为,大爆炸之后,宇宙经历了一次指数式的膨胀。


如果是这样,那么以上提到的三个问题就会迎刃而解。


今天的宇宙之所以到处温度一致,是因为在遥远的过去,不同区域之间是相互“接触”的,直到暴胀将它们分开。


宇宙之所以平坦是因为暴胀将空间迅速拉开,抹平了空间中的原初曲率。


宇宙暴胀会使磁单极子互相远离,而当暴胀结束时,宇宙才再次变热,但再也无法达到创造它们时的高温。


已知的模型告诉我们,暴胀就发生在大爆炸后的10⁻³⁶秒,但究竟是什么触发了暴胀,我们还不知道。




上世纪90年代的开场白,有点浪漫。


2月14日的情人节,旅行者1号在距离地球数十亿千米之外的地方向后拍下了著名的“暗淡蓝点”,即我们的家园。


4月24日,以哈勃命名的哈勃太空望远镜升空,开启了宇宙观测的新时代。


它注定将成为探索宇宙历史中耀眼的功臣。


但在升空不久后,哈勃望远镜背后的团队就遭遇了严重的打击。因为望远镜传回来的图片画质全是模糊的。


幸运的是,在宇航员对镜片进行维修后,他们成功了。


1995年,在维修的第二年后,哈勃太空望远镜对准了大熊座方向的一小片区域,揭示了那看似空无一物的区域背后,实际上隐藏着数千颗遥远的星系。这也让我们首次意识到,宇宙中可能包含的星系数量远超想象。


到了1998年,当天文学家运用哈勃太空望远镜观测遥远的Ia型超新星后发现,宇宙正在加速膨胀!


科学家将造成宇宙加速膨胀的幕后推手称为“暗能量”。


今天,暗能量依旧是个谜团。天文学家无法确定它的本质究竟是一个固定不变的常数,还是一个随时间和空间改变的能量场。但可以确定的是,它的本质将决定着宇宙未来的命运。




在宇宙之中只有太阳系拥有行星吗?


答案是否定的。


其实人类探索系外行星的历史是很短暂的。


1992年1月,天文学家宣布他们首次确认了两颗太阳系之外的行星。但它们是绕着脉冲星旋转的。1995才发现第一颗绕着类太阳恒星旋转的行星。2019年的诺贝尔物理学奖也授予了为这一发现做出巨大贡献的科学家。


到了2009年,开普勒太空望远镜的成功发射,对探索系外行星具有划时代的意义。


开普勒望远镜所采用的探索方法被称为凌星法。这是指当行星从恒星和地球之间经过时,恒星发出的光的亮度就会下降。通过观测亮度的变化,就可以推测出许多信息。


在开普勒望远镜九年半的太空岁月中,它总共确认发现了2681个系外行星,以及2899个候选行星。


在总共5580个行星中,有大约50个可能与地球的大小和温度相似。其中只有十几个位于宜居地带。


截止到2020年10月1日,已确认的系外行星有4284个,其中76.1%都是通过凌星法发现的。


开普勒望远镜的继任者系外行星凌星巡天卫星(TESS),将继续肩负着寻找外星世界,以及可能包含生命的星球的使命。


2020年9月,天文学家宣布他们在星系M51内可能找到了行星。一旦确认,这将成为首个发现于银河系之外的行星。




在爱因斯坦提出广义相对论后,物理学家就通过求解理论的核心方程预言了宇宙中可能存在着黑洞。


上个世纪60/70年代,许多大物理学家都投入黑洞的研究。史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)在1974年提出的霍金辐射,更是吸引了前所未有的关注。


对于理论学家而言,黑洞领域充满了无限可能性。


时间来到2015年9月14日,在广义相对论的一百年后,地球上的激光干涉引力波天文台(LIGO)探测到了来自13亿光年外的双黑洞并合辐射出的引力波。


这是人类首次直接探测到引力波,也再一次验证了爱因斯坦的预言。引力波就好比是我们的“耳朵”,自此我们终于可以听到来自宇宙的声音。


在2017年8月17日,抵达地球的引力波更加特殊,因为探测到的引力波是来自双中子星的并合,所以天文学家也同时观测到了电磁波信号,开启了多信使时代。


2019年4月10日,事件视界望远镜团队在经历了漫长的数据分析后,公布了距地球5500万光年外的黑洞的照片。


这个黑洞位于M87星系中心,是一个超大质量黑洞,质量为太阳质量的64亿倍。进一步的观测或许将揭开邻近黑洞的吸积盘和喷流的许多谜题。


过去,已观测到的黑洞有两种:恒星级黑洞和超大质量黑洞。但在2019年5月21日,天文学家探测到了一起黑洞引力波并合事件。66倍和85倍太阳质量的黑洞并合形成了一个质量为142倍太阳质量的黑洞,这是中等质量黑洞存在的直接证据。


2020年,新的时代已然开始。相较于100年前,我们对宇宙的了解已经有了长足的进展。


现在我们知道,自大爆炸开始,宇宙已经经历了138亿年的演化。在半径约为460亿光年的可观测宇宙内包含了至少2万亿个星系,每个星系都包含了数量庞大的恒星和行星。而更令人惊奇的是,这些天体只构成了宇宙总质量和能量的5%,余下的则是26%的暗物质和69%的暗能量。


这会是故事的全部吗?


宇宙中还有哪些新的事物事物等待被发现?


宇宙之外又有什么?


……


有的问题或许难以有确切的答案 ,但我们仍期待着每一次探索所能带来的惊喜。


图片来源:

仙女座星系:Adam Evans/Wikimedia Commons、胡克望远镜:Craig Baker/Wikimedia Commons、兹威基:Caltech Archives、中子星:NASA、超新星:NASA/CXC/Rutgers/J.Hughes/STScI、Sputnik 1:Gregory R Todd /Wikimedia Commons、CMB:WMAP、脉冲星:Mysid/Wikimedia Commons、星际分子:ESO/Digitized Sky Survey 2/L. Calçada、类星体:International Gemini Observatory / NOIRLab / NSF / AURA / P. Marenfeld、NGC1232:ESO、古斯的笔记:SLAClab、超新星:UNIVERSITY OF WARWICK/MARK GARLICK ALL RIGHTS RESERVED. COPYRIGHT MARK A. GARLICK、开普勒望远镜:NASA Ames/ W Stenzel、Vera Rubin:Vassar College Archives and Special Collections、黑洞并合:Mark Myers, ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery、M87黑洞:EHT、Virgo探测器:The Virgo collaboration/CCO 1.0、ALMA:Iztok Bončina/ESO


参考来源:

https://arxiv.org/abs/2009.08987

https://arxiv.org/abs/2009.08987


本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),撰文 & 设计:原理,审校:苟利军(国家天文台)

本内容为作者独立观点,不代表虎嗅立场。未经允许不得转载,授权事宜请联系 hezuo@huxiu.com
如对本稿件有异议或投诉,请联系tougao@huxiu.com
打开虎嗅APP,查看全文

前往 虎嗅APP 查看原文体验更佳

前往

本文已被收藏在:

支持一下

赞赏

0人已赞赏

大 家 都 在 看

查看更多文章

大 家 都 在 搜

好的内容,值得赞赏

您的赞赏金额会直接进入作者的虎嗅账户

    自定义
    支付: