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從古到今，人類無(wú)數(shù)次地仰望天空，并寄予了天空永遠(yuǎn)是寧?kù)o和諧的美好想象。直至50年前，天文學(xué)家也仍然認(rèn)為宇宙是個(gè)安寧的地方。
但在哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的眼里，宇宙有著另一番景象：物質(zhì)聚集的地方充滿了暴力，有壯麗的出生和慘烈的暴死。宇宙和我們的自然界一樣，也是弱肉強(qiáng)食。 1666年，牛頓在花園散步時(shí)，突然想到重力，它的作用讓一個(gè)蘋果從樹上掉到地上。重力是否僅局限于在地球周圍的有限距離里，難道不能延伸到更遠(yuǎn)的地方嗎?(圖1) 20年后，牛頓在其光耀史冊(cè)的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中，發(fā)表了萬(wàn)有引力定律，指出：“宇宙中每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都以一種力，吸引其他各個(gè)質(zhì)點(diǎn)。天上的星體運(yùn)動(dòng)和地面上的物體運(yùn)動(dòng)都受到同樣的規(guī)律——力學(xué)規(guī)律的支配?！?圖2)
在哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的視野里，這種力學(xué)規(guī)律所編排的節(jié)目讓宇宙永不寧?kù)o：這里有星系的舞蹈、引力的魔鏡、黑洞的拋球表演，猶如宇宙盛大的馬戲演出。宇宙是如何利用“引力”控制星系和黑洞進(jìn)行表演的呢?我們先到宇宙中物質(zhì)最密集的地方——星系和星系團(tuán)看看吧。我們所在的銀河系從外面看，像個(gè)從中心甩出兩條長(zhǎng)臂的大飛盤，整個(gè)系統(tǒng)在慢慢旋轉(zhuǎn)；在星體之間充斥著大量的氣體與塵埃；在遠(yuǎn)離中心的位置，其中一條旋臂之外，銀河系的邊緣，有個(gè)小小的恒星系，那就是我們的太陽(yáng)系。(圖3)(圖4) 當(dāng)我們仰望晴朗夜空時(shí)，能看到距離地球最近的5000顆恒星，更遠(yuǎn)的就太微弱了。因?yàn)榭諝庵衅≈膲m埃，會(huì)弱化星光，若沒(méi)有望遠(yuǎn)鏡，我們只能看見(jiàn)銀河系的一角。銀河系中有兩千億顆恒星，其中的很多都同太陽(yáng)相似。天文學(xué)家還相信，在宇宙中有上千億個(gè)類似銀河系的星系。 作為宇宙最基礎(chǔ)的組成部分，這上千億個(gè)星系是怎樣形成與演化的?這是探索宇宙最基本的問(wèn)題，也是20年來(lái)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡捕捉到的最大量的內(nèi)容。 哈勃望遠(yuǎn)鏡在其他天文臺(tái)的協(xié)作下，已經(jīng)對(duì)天空中的幾小塊區(qū)域進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間曝光，把迄今最遙遠(yuǎn)、最古老的星系的面貌展現(xiàn)在了我們眼前。 這些早期星系離我們很遠(yuǎn)，所以很暗。在早期宇宙，這些星系形成時(shí)都很小，要分辨出星系的細(xì)節(jié)需要很大的分辨率，只有哈勃才能把這些星系拍得很清晰。(圖5)
 這些超精細(xì)圖片揭示了早期宇宙的細(xì)節(jié)，當(dāng)時(shí)的宇宙年齡僅有幾億年，大約是現(xiàn)在宇宙年齡的5％。與現(xiàn)在的星系相比，那時(shí)的星系尺寸小，形狀更不規(guī)則。哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的這些照片，成為建立現(xiàn)代星系形成模型的關(guān)鍵。
2003年5月7日，哈勃望遠(yuǎn)鏡對(duì)仙女座大星系外圍的星系暈進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)這里恒星的年齡千差萬(wàn)別：最古老的有110億年到135億年，最年輕的只有60億年到80億年。 天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)有些星系是由不同年齡的恒星形成的，一種解釋是等級(jí)式的結(jié)構(gòu)演化，即一個(gè)星系形成過(guò)程中要吞并其他一些小星系，形成了星系里有各種年齡的恒星，就像小孩闖進(jìn)了養(yǎng)老院。 與此相反，我們的銀河系中沒(méi)有大量年輕的恒星。因此，盡管仙女座大星系和銀河系外形相似，但哈勃望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)顯示，這兩個(gè)星系的成長(zhǎng)史迥然不同。這一發(fā)現(xiàn)加深了我們對(duì)星系形成的理解。 在夜空中，我們的銀河系像一條永恒的乳白色帶子，宇宙看起來(lái)好像也是靜止的。這是因?yàn)槿祟惖纳徊贿^(guò)是宇宙時(shí)間中的瞬間而已。實(shí)際上，宇宙處在永恒的運(yùn)動(dòng)中，只有通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間觀察，才能感受到星空的運(yùn)動(dòng)，看到運(yùn)動(dòng)中的恒星和星系。恒星圍繞銀河系的中心旋轉(zhuǎn)，星系依靠引力相互吸引，有時(shí)甚至?xí)l(fā)生碰撞。哈勃望遠(yuǎn)鏡就觀測(cè)到了無(wú)數(shù)沖撞在一起的星系。 星系們就像漫漫長(zhǎng)夜中行駛在星海里的巨輪，彼此不斷地接近，直到引力的相互作用最終將它們壓縮成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，相互交織在一起。這是一場(chǎng)由引力編排的宇宙舞蹈。 兩個(gè)星系發(fā)生碰撞的景象，像是鉤在一起的兩根手指頭。星系中的大多數(shù)恒星，會(huì)在星系沖撞中幸免于難，引力會(huì)將恒星連同氣體塵埃一起拋出，綿延數(shù)十萬(wàn)光年，甚至更長(zhǎng)。實(shí)際上，再經(jīng)過(guò)上億年，兩個(gè)星系最終會(huì)合并為一個(gè)組合星系。(圖6) 人們認(rèn)為現(xiàn)在的許多星系包括銀河系，是由許多小星系經(jīng)過(guò)數(shù)十億年組合而成的。由于星系間巨大的相互作用，本由氣體烈焰形成的恒星生出了壯麗的高溫藍(lán)色星團(tuán)。我們的銀河系也將要同另一個(gè)離我們最近的大星系仙女座星系相撞，它們以每小時(shí)50萬(wàn)公里的速度接近，30億年后將從正面相撞，會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)星系壯烈合并。在撞擊過(guò)程中，銀河系將改變形狀，再也不是我們所熟悉的螺旋形，取而代之的是一個(gè)巨大的橢圓星系。那時(shí)的銀河系不僅包含自己原有的恒星，也包含了所有仙女座星系的恒星。 是什么樣的力量能讓擁有上億個(gè)恒星的星系相互碰撞呢?這些力量又來(lái)自哪里? 我們相信在宇宙中仍然有很多操縱著我們周圍事物的隱秘力量，其中就有黑洞。黑洞巨大的質(zhì)量，是影響周圍天體的原因。黑洞在宇宙引力劇場(chǎng)里是主角，它表現(xiàn)活躍、花樣繁多、手法獨(dú)特。有人形容黑洞是“宇宙中的神秘惡魔”，因?yàn)樗鼤?huì)吞噬一切靠近的東西。對(duì)于天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，黑洞中心是最難解的謎。黑洞強(qiáng)大的引力，封鎖了所有信息，連光都無(wú)法逃逸。所以，我們也無(wú)法得知那里到底有什么。(圖7) 然而，我們?cè)趺慈パ芯克?又如何去尋找到一個(gè)看不見(jiàn)的點(diǎn)呢?
用太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)一個(gè)星系的中心，測(cè)量那些離中心非常近的恒星的運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)它們運(yùn)動(dòng)速度非?？?。 這些靠近星系中央的恒星在高速旋轉(zhuǎn)，這不是恒星的正常狀態(tài)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)恒星都以相對(duì)較慢的速度運(yùn)動(dòng)。這肯定是因?yàn)橛匈|(zhì)量超大且體積超小的東西存在，只能有一個(gè)理由來(lái)解釋這種現(xiàn)象——那里有個(gè)黑洞。 長(zhǎng)久以來(lái)，天文學(xué)家一直懷疑一些大星系，比如我們的銀河系的中心有一個(gè)特大質(zhì)量的黑洞正在吞噬恒星、星云和周邊路過(guò)的物質(zhì)。銀河系中心存在著如此密集的恒星，地面望遠(yuǎn)鏡只能看見(jiàn)由成百上千顆恒星擠成一堆的斑駁的星光。而哈勃望遠(yuǎn)鏡高分辨度的圖像讓我們看到每一顆獨(dú)立的恒星，以及它們圍繞銀河系中心的運(yùn)動(dòng)。這些恒星的移動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正常值，似乎有一個(gè)小型的、看不見(jiàn)的強(qiáng)大引力牽引著它們。根據(jù)哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的現(xiàn)象，天文學(xué)家得出結(jié)論：一個(gè)黑洞潛伏在銀河系中心。 最早，黑洞是從愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論推測(cè)出來(lái)的?，F(xiàn)在，借助于空間望遠(yuǎn)鏡，我們終于能看見(jiàn)它了?？茖W(xué)家一直在搜集黑洞的所有信息，希望更多地了解它，現(xiàn)在黑洞的真實(shí)面目已越來(lái)越清晰了。 天文學(xué)家認(rèn)為黑洞是單一體，是太空中的單點(diǎn)，無(wú)體積、不擴(kuò)展，但密度無(wú)窮大。巨大恒星死亡塌縮后的“尸體”質(zhì)量太大，以至于自然界中沒(méi)有任何力量能阻止它將自己壓縮成無(wú)窮小的體積。雖然物質(zhì)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體都會(huì)被吸進(jìn)去。 黑洞的吸積盤就像惡魔張開的大嘴，一旦有東西，比如一顆恒星被拖進(jìn)這個(gè)點(diǎn)，我們就再也見(jiàn)不到它了。這顆倒霉的恒星會(huì)沿著一條螺旋軌道運(yùn)動(dòng)，當(dāng)它運(yùn)動(dòng)到接近黑洞的位置時(shí)，離黑洞最近的物質(zhì)會(huì)比恒星的其他部分受到更大的吸引力，黑洞吸吮拉伸恒星，直到將它撕成碎片吞噬掉。(圖8)  蟲洞，類似于在蘋果上有一個(gè)蟲子鉆了一個(gè)洞，我們看到從表面上的某個(gè)地方通過(guò)一個(gè)小洞聯(lián)系到另一個(gè)地方?，F(xiàn)在認(rèn)為，一個(gè)蟲洞基本上是一條穿越時(shí)空從宇宙的一點(diǎn)到另一點(diǎn)的“捷徑”。如果蟲洞真的存在，也許有一天它們會(huì)使星際旅行比常規(guī)的光速旅行更快捷。
黑洞中存在時(shí)空的秘密通道嗎?現(xiàn)在還無(wú)法得知。根據(jù)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡提供的證據(jù)發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的星系中心都有黑洞。1997年1月13日，哈勃望遠(yuǎn)鏡在對(duì)27個(gè)星系進(jìn)行詳細(xì)考查后宣布，在星系中心，超大質(zhì)量黑洞是普遍存在的。 銀河系中央的黑洞，也許比那些大恒星形成的黑洞要大上百萬(wàn)倍。天文學(xué)家估計(jì)銀河系的黑洞可能是在早期星系運(yùn)動(dòng)中形成的，是許多恒星的黑洞合并的結(jié)果。 當(dāng)兩個(gè)星系碰撞時(shí)，它們各自中心的黑洞會(huì)上演一場(chǎng)精心編排的舞蹈，在星系合二為一后的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，在它們的黑洞最終合并成一個(gè)質(zhì)量極大的黑洞之前，這兩個(gè)星系仍然會(huì)繼續(xù)相互圍繞旋轉(zhuǎn)數(shù)萬(wàn)年。 這最后過(guò)程的力量太大了，以至于改變了我們能夠觀測(cè)到的時(shí)空結(jié)構(gòu)。不管是在地面上用全新的引力波望遠(yuǎn)鏡，還是在太空船上，都看不到。然而，同需要數(shù)百萬(wàn)年之久的星系合并相比，最后核心合并的慘烈過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)短。所以，能看到這個(gè)過(guò)程的幾率很小。 在這個(gè)引力劇場(chǎng)中，星系的碰撞，類星體的光芒，伽馬射線爆炸，都與黑洞有密切聯(lián)系，它是這些節(jié)目的導(dǎo)演(圖10) “黑洞”是物理學(xué)家和天文學(xué)家早就在設(shè)想的一種可能存在的天體，然而它是否真的存在呢?20世紀(jì)90年代中期，大家開始認(rèn)為這個(gè)天體很可能是存在的。而且有一類天體叫類星體，是通過(guò)別的手段發(fā)現(xiàn)的，大家猜想它是否就是“黑洞”呢? 最初，類星體被認(rèn)為就是一些普通的恒星，因?yàn)榭瓷先ニ鼈兙褪且恍┖芰恋谋鈭A。后來(lái)，人們偶然發(fā)現(xiàn)，這些天體離我們?nèi)绱诉b遠(yuǎn)而又那么明亮，說(shuō)明它們的能量極其巨大，在以非常高的能量發(fā)光。這些奇異的天體究竟是什么呢? 恒星運(yùn)動(dòng)到離黑洞很近時(shí)會(huì)被撕裂，好比水從一個(gè)巨大的水槽漏下去。螺旋狀氣體形成了一個(gè)很厚的盤。恒星在向黑洞自由降落過(guò)程中溫度升到極高，氣體向上方空間爆發(fā)能量。這種類星體現(xiàn)象在宇宙的星系里可以找到不少，許多都在猛烈地發(fā)生著。 當(dāng)物質(zhì)往黑洞里落時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩類現(xiàn)象：一是它的能量會(huì)轉(zhuǎn)變成輻射；另一類是它會(huì)把很多物質(zhì)拋出來(lái)。 這種把能量轉(zhuǎn)換成輻射的現(xiàn)象表現(xiàn)為類星體；把落入的物質(zhì)拋出來(lái)的現(xiàn)象，表現(xiàn)為伽馬爆。這是黑洞兩類主要的表現(xiàn)形式。(圖11)  這些伽馬射線高能爆發(fā)，每天至少能從天空中任意方向探測(cè)到一次。雖然伽馬射線爆只持續(xù)幾秒鐘，但它釋放的輻射量足以同銀河系幾百年釋放的輻射量抗衡。人類肉眼看不見(jiàn)的伽馬射線，只有通過(guò)特殊的儀器才能探測(cè)到。30多年來(lái)，沒(méi)人知道到底是什么引起了射線爆。伽馬射線就像掠過(guò)地球的子彈，可我們卻看不見(jiàn)發(fā)射它們的槍。 多年來(lái)，哈勃望遠(yuǎn)鏡同世界上幾乎所有的望遠(yuǎn)鏡都在尋找那些“還在冒煙的槍”，各種望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)天空中爆發(fā)出伽馬射線的位置，但一無(wú)所獲。直到1999年，哈勃望遠(yuǎn)鏡有了重要發(fā)現(xiàn)，基本上證實(shí)了這些恐怖的射線爆發(fā)生在很遙遠(yuǎn)的星系?？赡苁怯纱筚|(zhì)量恒星塌縮引起的；或是由兩個(gè)密度極大的天體猛烈相撞造成的，比如兩個(gè)黑洞，或是一個(gè)黑洞與一個(gè)中子星。 伽馬射線爆雖然恐怖，但從天文學(xué)講，它可以幫助我們研究宇宙的演化。由于最遠(yuǎn)的伽馬射線所發(fā)生的地方，是處于宇宙從黑暗時(shí)期到光明時(shí)期的過(guò)程中，因此可以利用它研究宇宙是如何突破黑暗時(shí)期的。
但在宇宙中到處放槍的伽馬爆是危險(xiǎn)的“恐怖分子”，我們必須小心它，時(shí)刻關(guān)注它。如果伽馬射線爆直接沖著地球而來(lái)，它強(qiáng)烈的輻射會(huì)使地球大氣層的化學(xué)成份發(fā)生改變。比如，如果臭氧層被改變，將使地球暴露在太陽(yáng)紫外線中，威脅地球上的生命。 今天，在地球周圍運(yùn)行的伽馬射線天文衛(wèi)星，平均每天看到一個(gè)左右的伽馬射線爆，表明在宇宙中幾乎每時(shí)每刻都在產(chǎn)生伽馬射線爆的爆發(fā)。如果它離我們很近，就能摧毀地球。幸運(yùn)的是，到目前為止，還沒(méi)有離我們特別近的伽馬射線爆。 任何劇場(chǎng)的演出不可能內(nèi)容和風(fēng)格一直沒(méi)有變化。在引力主導(dǎo)的宇宙劇場(chǎng)中，既有星系舞蹈的文戲，也有類星體和伽馬射線爆發(fā)的武戲，還有抽象的怪誕戲。它通過(guò)幻象反映真實(shí)，讓我們看到宇宙更深遂的地方。有可能是黑洞引力產(chǎn)生了它，所以它的樣子有點(diǎn)怪誕，名字叫作“引力透鏡。”(圖12) 黑洞是宇宙中最奇異的天體，會(huì)以驚人的方式影響周圍物體，它的引力場(chǎng)甚至能使光偏轉(zhuǎn)。實(shí)際上，靠近黑洞的光線不會(huì)繼續(xù)沿直線傳播，而是改為新的路徑傳播。這樣形成一個(gè)天然望遠(yuǎn)鏡，使我們比想象中看得還要遠(yuǎn)。 正如在沙漠里迷路的人會(huì)看到海市蜃樓，那是由于遙遠(yuǎn)物體的光，被沙子上懸浮的熱空氣彎曲了。宇宙中也能看到海市蜃樓，用現(xiàn)代望遠(yuǎn)鏡，比如哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的“海市蜃樓”，不是由熱空氣引起的，而是來(lái)自遙遠(yuǎn)的星系群。 很久以前，一些人認(rèn)為地球是平的，這是因?yàn)樵谌粘Ｉ钪形覀兛床坏秸麄€(gè)地球；實(shí)際上，宇宙空間是彎曲的，即使我們?cè)谛枪鉅N爛的夜晚也看不到這個(gè)現(xiàn)象。 但正是彎曲的空間，造成了可供我們觀測(cè)的這種現(xiàn)象。愛(ài)因斯坦的預(yù)言之一即是引力可以扭曲時(shí)空，進(jìn)而使光線偏折：好比池塘中的漣漪使池底的沙子看起來(lái)像扭曲的蜂窩；遙遠(yuǎn)星系的光線在射向地球時(shí)，被巨大星系群的引力場(chǎng)扭曲放大了，就像透過(guò)一枚巨大的放大鏡看東西，這個(gè)現(xiàn)象就叫引力透鏡。 引力透鏡現(xiàn)象是由于有質(zhì)量的物體，對(duì)光線的路徑發(fā)生了改變。所以，我們看見(jiàn)的背景物體，它的形狀和大小都發(fā)生了變化；此外，它跟引力透鏡本身的強(qiáng)度直接相關(guān)，就像放大鏡一樣，放大倍數(shù)大，看到后面的背景物體也大。 當(dāng)光線遭遇質(zhì)量很大的天體時(shí)，會(huì)根據(jù)“透鏡體”的性質(zhì)，變成不同的古怪形式，也就是說(shuō)這種背景天體會(huì)以幾種外觀出現(xiàn)。愛(ài)因斯坦認(rèn)為，整幅圖像會(huì)被擠壓成一個(gè)光環(huán)；遙遠(yuǎn)星系的原本面目被克隆出多個(gè)幽靈般的復(fù)制品，或者被扭曲成香蕉狀，就像光弧。 雖然愛(ài)因斯坦在1915年就意識(shí)到太空中有這種現(xiàn)象，但他卻認(rèn)為在地球上是觀測(cè)不到的。然而目前，遙遠(yuǎn)天體的引力圖像，已被人類所掌握的最好的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到了。(圖13) 哈勃望遠(yuǎn)鏡是第一個(gè)能看到各種小光弧細(xì)節(jié)的望遠(yuǎn)鏡，直接揭示了背景天體的內(nèi)外結(jié)構(gòu)。2003年，天文學(xué)家推導(dǎo)出哈勃照片上的一個(gè)神秘的小光弧，是我們所見(jiàn)過(guò)的宇宙中最大最亮最熱的產(chǎn)星區(qū)。(圖14)  在哈勃望遠(yuǎn)鏡拍回的清晰照片上，憑借肉眼就能將同一背景星系的不同光弧聯(lián)系在一起。由此，天文學(xué)家借助引力透鏡現(xiàn)象，可以研究更古老的宇宙中透出的一鱗半爪。2004年，利用太空中引力透鏡的放大作用，哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到了已知宇宙范圍內(nèi)最遙遠(yuǎn)的星系。 宇宙的大舞臺(tái)上，你方唱罷我登場(chǎng)，星系的碰撞、黑洞、引力透鏡……關(guān)于宇宙還有無(wú)數(shù)謎題在等待解答，比如，時(shí)間有盡頭嗎?在宇宙最初的洪荒中到底發(fā)生了什么?好奇心牽引著人們，要到最古老的宇宙去看一看。 |
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