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這10大天文學(xué)突破,你知道幾個?

 汐鈺文藝范 2019-03-23

同一天空下」系列

科學(xué)的進(jìn)步有兩種方式:

第一種是知識和數(shù)據(jù)的日積月累。在天文學(xué)領(lǐng)域有很多這樣的例子,比如精確地測量恒星的距離、質(zhì)量、光度、溫度和光譜就是一個漫長而艱苦的積累過程。

第二種是”突破“,我們對宇宙的認(rèn)知在相對較短的時間內(nèi)發(fā)生了戲劇性的變化,這些都是重大的范式轉(zhuǎn)移。例如,在15世紀(jì)的時候,我們認(rèn)為地球便是宇宙的中心。但到了17世紀(jì),太陽成了宇宙的中心(盡管這個想法也沒能維持多久)。

在這篇文章中,我們將把關(guān)注點(diǎn)放在20世紀(jì)天文學(xué)上的那些重大突破。當(dāng)你看完這篇文章后,你很快就會發(fā)現(xiàn)上個世紀(jì)的天文學(xué)突破比以往更多,而且比之前更加重大。一個有趣的問題是,在本世紀(jì),我們是否也會經(jīng)歷同樣數(shù)量的突破性發(fā)現(xiàn)?天文學(xué)會加快還是放慢它向前邁進(jìn)的腳步?

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銀河系是宇宙中唯一的星系嗎?至少在100年前,這個答案是肯定的。但到了1923年,哈勃(Edwin Hubble)使用胡克望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了M31(仙女座星系)中的一顆造父變星,一切都改變了?;诹硪幻煳膶W(xué)家勒維特(Henrietta Leavitt)的工作,哈勃得出了一個驚人的結(jié)論:M31距離我們90萬光年,遠(yuǎn)在銀河系之外!自此之后,我們才意識到原來銀河系并非獨(dú)一無二,宇宙中包含了大量的星系,這是天文學(xué)突破和范式轉(zhuǎn)移的一個絕妙例子。今天的天文觀測告訴我們,宇宙中的星系數(shù)量并不是幾萬、幾十億或幾千億,而是高達(dá)兩萬億個!從一到萬億,這是多么巨大的變化??!

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愛因斯坦曾一度認(rèn)為,宇宙是靜止的。但事實(shí)真的如此嗎?

1929年,哈勃運(yùn)用胡克望遠(yuǎn)鏡共測量了46個星系的距離和速度。他將這些數(shù)據(jù)繪制成圖像,結(jié)果顯示:星系的退行速度與距離成正比,且斜率為500km/s/Mpc(這個值被稱為哈勃常數(shù))。換句話說,哈勃發(fā)現(xiàn)了宇宙正在膨脹,而且距離地球越遠(yuǎn)的星系,遠(yuǎn)離我們的速度也就越快!這是多么驚人的發(fā)現(xiàn)啊,而且一個膨脹的宇宙也暗示著在遙遠(yuǎn)的過去,宇宙有一個開端。

哈勃常數(shù)非常重要,它可以被用來計算宇宙的年齡。最初的估計偏離得有些離譜——宇宙的年齡比地球還要?。〉S著技術(shù)的進(jìn)步,宇宙學(xué)家得到了越來越精確的數(shù)值?,F(xiàn)在,哈勃常數(shù)被確定在70km/s/Mpc左右,宇宙的年齡為138億年。(事實(shí)上,在過去幾年中,宇宙學(xué)家發(fā)現(xiàn)不同的測量方法得到的哈勃常數(shù)并不一致!詳見:《宇宙學(xué)危機(jī):無法統(tǒng)一的哈勃常數(shù)!》

到了1998年,天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙不僅在膨脹,而且是在加速膨脹,導(dǎo)致加速膨脹的幕后推手被稱為”暗能量“,但沒有人知道暗能量的真面目。

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上個世紀(jì)初,我們對恒星的認(rèn)識依然是非常匱乏的。當(dāng)時,天文學(xué)家意識到恒星都很老,它們的年齡甚至超過了10億年,在它們生命周期的大部分時間內(nèi)都是非常明亮的。但天文學(xué)家并不知道,恒星為何能夠產(chǎn)生如此巨大的能量。到了1905年,愛因斯坦的狹義相對論和質(zhì)能等價理論(E = mc2)觸發(fā)了一場革命。

愛丁頓(Arthur Eddington)爵士是最早認(rèn)識到恒星是全部由氣體組成的人之一,他還意識到,恒星的穩(wěn)定性是向內(nèi)的引力向外的氣體和輻射產(chǎn)生的壓力相抗衡的結(jié)果。愛丁頓據(jù)此推導(dǎo)出了恒星的質(zhì)量-光度關(guān)系,這對于理解恒星演化至關(guān)重要。    

1926年,愛丁頓指出,太陽中心的氣體密度是水的密度的100多倍,這個區(qū)域的溫度超過10?開爾文。恒星內(nèi)部的溫度是如此之高,核反應(yīng)的速率將達(dá)到不可忽略的程度。然而,到底是哪種形式的質(zhì)量被摧毀并轉(zhuǎn)化成能量呢?

在1920年,阿斯頓(Francis Aston)正在使用自己發(fā)明的質(zhì)譜儀測量一些原子和同位素的質(zhì)量。他發(fā)現(xiàn),四個氫原子比一個氦原子要重。而其他科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)表明氫和氦是組成恒星的主要成分。

將這些因素結(jié)合起來解決了恒星的能量生成問題,接下來必須有人確切地證明這個過程是如何進(jìn)行的。這個人就是貝特(Hans Bethe)。1939年,貝特提出了碳氮氧(CNO)循環(huán),之后他又提出了質(zhì)子-質(zhì)子循環(huán)。這些過程都極其緩慢,因而恒星會在主序階段停留漫長的時間,緩慢且溫和地將氫轉(zhuǎn)化為氦。在此期間,它們的光度變化非常微弱。

恒星能量來源的機(jī)制最終引導(dǎo)天文學(xué)家從總體上解決了恒星演化問題,這個過程整整花了35年時間。

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在恒星能量機(jī)制被搞清楚之前,天文學(xué)家意識到絕大多數(shù)恒星本質(zhì)上只有兩種類型,即所謂的”矮星“和”巨星“。

1911年,赫茨普龍(Ejnar Hertzsprung)繪制了恒星的視星等與光譜類型的關(guān)系,這些恒星來自昴星團(tuán)與畢宿星團(tuán)等疏散星團(tuán)。1914年,羅素( Henry Norris Russell)充分利用最新的視差數(shù)據(jù),繪制了恒星的絕對星等與光譜類型的關(guān)系。赫茨普龍和羅素繪制的圖表如今被稱為赫茨普龍-羅素圖,簡稱赫羅圖。

赫茨普龍和羅素都發(fā)現(xiàn)存在兩種主要的恒星類型:一種是更為常見的矮星,這些太陽大小的恒星占據(jù)了圖表中的“主序帶”,被稱為主序星,主序星的光度大約與溫度的6.7次方成正比;另一種是不那么常見的巨星,它們的絕對星等約為0。

隨著時間的推移,更多的恒星類被添加進(jìn)圖表當(dāng)中。一種是地球大小的黯淡的白矮星,它們的絕對星等在10到14之間,光譜類型大約是B型和A型。另一種是更為罕見的超巨星,它們是質(zhì)量最大且最明亮的恒星,絕對星等在-5到-8之間。

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在1900年的時候,人們普遍認(rèn)為恒星與地球具有相同的組成。從1925年以來,天文學(xué)家開始意識到恒星主要由氫和氦組成,這顯然是一個重大的范式轉(zhuǎn)移。

佩恩(Cecelia Payne)是這場科學(xué)變革的先鋒。1925年,在她那篇著名的博士論文《恒星大氣》中,佩恩運(yùn)用了物理學(xué)家薩哈(Meghnad Saha)在1920年推導(dǎo)出的方程,將光譜線強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為原子數(shù),并最終提出恒星主要由氫和氦這兩種元素組成。

這個領(lǐng)域的第二個重大突破是認(rèn)識到恒星主要有兩種組成類型:富金屬的第一星族和貧金屬的第二星族。這是巴德(Walter Baade)在1943年發(fā)現(xiàn)的。

第三個突破是解釋恒星為什么具有獨(dú)特的化學(xué)組成,以及這種化學(xué)組成如何隨時間變化。有兩項(xiàng)成果推動了這個突破:第一項(xiàng)成果解釋了宇宙大爆炸后氫氦混合物的初始比例為75% : 25%;第二項(xiàng)成果來自于伯比奇夫婦(Margaret Burbidge 和Geoffrey Burbidge、福勒(William Fowler)霍伊爾(Fred Hoyle)四人的工作,他們解釋了將氫轉(zhuǎn)化為氦的核合成過程,并擴(kuò)展到了碳、氧、硅、硫、氬、鈣直到鐵等重元素的生成;隨后這四位科學(xué)家還證明,超新星爆發(fā)時的快中子捕獲過程創(chuàng)造了比鐵重的元素,從而將恒星的組成進(jìn)一步擴(kuò)展到金、鉑和鈾等元素。

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宇宙中有什么?太陽、行星、彗星、恒星、銀河系……在上個世紀(jì)初,我們所知道就只有這些很普通的天體。但有沒有可能存在一些更加極端的天體?有的。

當(dāng)恒星耗盡自身的燃料時,就會出現(xiàn)奇異的天體。低質(zhì)量的恒星會演化為地球大小的白矮星,白矮星依靠內(nèi)部的電子簡并壓引力相抗衡。1930年,錢德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar)計算出了白矮星的質(zhì)量不會超過1.4個太陽質(zhì)量。一旦恒星的質(zhì)量超過這個值,恒星就會進(jìn)一步坍縮成為中子星。1933年,巴德和茲威基(Fritz Zwicky)預(yù)言許多中子星是超新星爆發(fā)的產(chǎn)物。到了1967年,伯奈爾(Jocelyn Bell-Burnell)通過射電望遠(yuǎn)鏡探測到了第一顆脈沖星的信號(脈沖星是快速旋轉(zhuǎn)的中子星)。最后,那些質(zhì)量超過3個太陽質(zhì)量的恒星將進(jìn)一步坍縮形成最極端的天體——黑洞

還有一種奇異的存在是類星體。1963年,施密特(Maarten Schmidt)探測到了一個強(qiáng)烈的射電源——類星體3C 273,它的紅移高達(dá)0.158,看起來就像是一個視星等為13的明亮恒星以16.6%的光速遠(yuǎn)離地球。最后天文學(xué)家發(fā)現(xiàn),類星體實(shí)際上是星系中央的活動星系核,包含了一個超大質(zhì)量黑洞,在黑洞的周圍是一個吸積盤,并且會釋放出相對論性噴流

除了類星體外,活動星系核包含了大量的子類,包括低電離星系核、塞弗特星系核、耀變體、射電星系等。

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1964年,彭齊亞斯(Arno Penzias)威爾遜Robert Wilson試圖用喇叭型天線找到從通信衛(wèi)星上反射回的射電波時,他們接收到了無法解釋的一些噪音。當(dāng)他們排除了一切可能性后(包括清理了鳥糞和移走了鳥巢),最終發(fā)現(xiàn)這是一些理論學(xué)家苦苦尋找的宇宙微波背景(CMB)——這是大爆炸遺留下的熱輻射。

1949年,霍伊爾做客BBC的時候提到了”大爆炸“一詞,用來描述宇宙有一個開端、且一直在膨脹的想法。當(dāng)然,霍伊爾本身擁護(hù)的是另一個理論——穩(wěn)恒態(tài)理論。穩(wěn)恒態(tài)理論曾是大爆炸理論的競爭理論,但當(dāng)宇宙微波背景被發(fā)現(xiàn)后,它也因此失去了立場。

如今,隨著望遠(yuǎn)鏡的不斷升級,科學(xué)家能夠以更高的精確度測量宇宙微波背景,并可以從中計算出宇宙的年齡、組成、膨脹率等信息。

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宇宙的大部分似乎都是由我們看不見的物質(zhì)組成的,那些“發(fā)光”的可見物質(zhì)只占總量的5%。早在1937年,茲威基就發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象:他研究了后發(fā)星系團(tuán)后發(fā)現(xiàn),星系團(tuán)中所包含的物質(zhì)總質(zhì)量是可見物質(zhì)質(zhì)量總和的400倍。

到了上世紀(jì)70年代,魯賓(Vera Rubin)發(fā)現(xiàn),在距離星系中心越遠(yuǎn)的地方,星系的旋轉(zhuǎn)速度曲線并不會降低。而此前人們都認(rèn)為,星系的大部分質(zhì)量都集中在核心區(qū)域,星系中物體的旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)該隨著距離的增加而減慢,就像太陽系中那樣,邊緣物體的旋轉(zhuǎn)速度比中心天體的慢一些。這個矛盾揭示出,星系中存在缺失的質(zhì)量,這就是包裹著星系并延伸到星系邊緣以外的暗物質(zhì)暈。但直到今天,我們?nèi)匀徊恢腊滴镔|(zhì)究竟是什么。

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100年前,我們只知道一個行星系統(tǒng)——我們居住的太陽系。隨著時間推移,一些天文學(xué)家認(rèn)為,某些鄰近恒星的軌跡的輕微搖擺暗示著,在它們周圍應(yīng)該也有行星的存在。

但直到20世紀(jì)末(更精確的說是9935天以前),天文學(xué)家才確認(rèn)了第一顆太陽系以外的行星。自那之后,科學(xué)家通過不同的手段,確認(rèn)發(fā)現(xiàn)了超過3700顆的系外行星。這些系外行星按照6種質(zhì)量(大小)和3種溫度被分類為18個類別。

除了研究這些系外行星的性質(zhì)之外,科學(xué)家希望他們能夠在這些不同的世界中找到生命可能存在的蛛絲馬跡。

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我們無法“看到”恒星的內(nèi)部。我們對太陽光球?qū)拥囊曇翱梢匝由斓酱蠹s500公里的深度,但相比于太陽大約70萬公里的半徑,我們?nèi)匀挥泻荛L的路要走。因此,恒星內(nèi)部一直是理論天文物理學(xué)家才能涉足的領(lǐng)域。

但過去幾十年里出現(xiàn)了兩個突破。第一個來自對太陽中微子的探測。1930年,泡利(Wolfgang Pauli )首次預(yù)言了中微子的存在,但等待了25年的時間才被驗(yàn)證。這是因?yàn)橹形⒆訋缀醪慌c物質(zhì)作用,因此非常難以探測到。

在太陽和其他恒星內(nèi)部的一系列核反應(yīng)將氫轉(zhuǎn)化為氦,同時產(chǎn)生中微子。每秒鐘,有數(shù)萬億的中微子在穿過我們的身體,但我們卻毫無察覺,這是非常令人震驚的事實(shí)。戴維斯(Raymond Davis Jr)是第一個敢于嘗試證明太陽中微子存在物理學(xué)家,他在霍姆斯特克金礦中建造了一個巨大的中微子探測器。在長達(dá)30年的時間里,他成功的捕捉到了2000個太陽中微子,并因此證明了太陽的能量來源于聚變。

第二個突破來自于日震學(xué),這是一門利用太陽表面聲波和聲震蕩來研究太陽內(nèi)部的物質(zhì)特性和運(yùn)動特征的學(xué)科,類似于從地球內(nèi)部地震波的傳播行為來推測地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

我們會發(fā)現(xiàn),這些重大突破通??杀环譃閮蓚€類別:一種是完全意想不到的發(fā)現(xiàn),另一種是解決了長期以來的困惑。我們完全有理由相信,未來我們將不斷迎來更多重大的突破,因?yàn)橛心敲炊嗟膯栴}等待著被揭開。我們也相信,那些隱藏在宇宙中的驚人秘密,正等待著被發(fā)現(xiàn)。

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