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《科学画报》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

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天文学的五大难解之谜

2012-03-27 16:11:48

/谢 懿

随着研究的深入,科学家越来越接近宇宙中最神秘问题的答案。

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1 大爆炸是如何发生的

我们知道宇宙始于“大爆炸”。很多人关心大爆炸之前是什么。这个问题超越了现有科学的认知范围,科学家根本没有办法回答它。事实上,目前科学家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,宇宙开始膨胀并冷却。然而,就在膨胀了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。同时它继续冷却,使得物质从能量中“凝聚”出来。

在宇宙大爆炸后大约1秒时,氢、氦、锂等元素开始形成。1万年之后,引力开始占主导,我们今天所看到的宇宙结构开始发育。再经过37万年,宇宙开始变得透明。此时,星系、恒星和行星的“种子”已经播下,空间和时间也开始演化。

 

2 什么是暗物质

宇宙中充满着未知,其中最奇特的问题之一就是宇宙包含大量不可见的物质形式——暗物质。

20世纪30年代,荷兰天文学家奥尔特首次预言了暗物质的存在。奥尔特提出,必须有足够的物质保证恒星不会飞出银河系,否则银河系就会解体。然而,可见的物质似乎不足以防止恒星逃逸,因此,一定还有看不见的物质存在。

更强有力的证据来自稍后天文学家对星系中恒星运动的研究。根据牛顿定律,围绕星系中心公转的恒星的速度会随着到星系中心距离的增加而急剧减小。但是,天文学家在实际观测中却发现,无论恒星距离星系中心有多远,它们的公转速度几乎都相同。天文学家对此的解释是,在星系中可见物质的外围还有一个由大量暗物质组成的晕。

对星系团的研究也为证明暗物质的存在提供了线索。同样在20世纪30年代,美国天文学家兹维基在距离地球约3亿光年的后发座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%,由此推测暗物质可能构成了宇宙物质的90%

那么,究竟什么是暗物质?这是目前宇宙最大的谜团之一。不管暗物质是什么,它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。

 

3 星系是如何形成的

20世纪50年代,美国天文学家巴德最早研究了星系中的恒星并试图解释星系是如何形成的。巴德的发现催生了20世纪60年代的一个星系形成模型。这个模型显示,星系形成于气体云的坍缩。在引力的作用下,气体向宇宙中的物质高密度区下落,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,这个晕开始旋转并且变得扁平,最终形成星系盘。

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、碰撞并最终并合形成星系。随着时间的推移,不同规模的并合过程会形成不同的星系。越来越多的天文学家相信,绝大多数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。哈勃太空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是超过100个小型星系并合形成的。

除了这两种方式之外,还存在第三种可能:在物质密集的地方先形成黑洞,接着黑洞把气体吸引到自己的周围,而幸存下来的气体演化成星系。因此,在许多大型星系和中型星系的中心都会存在一个超大质量的黑洞,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的黑洞。

计划于2014年发射的詹姆斯·韦布太空望远镜将从源头上来回答星系是如何形成的问题。其中的“星系形成”研究项目将致力于观测大量古老的星系,从而了解它们的形成过程,弄清楚黑洞在整个过程中到底起了怎样的作用。

 

4 宇宙的年龄有多大

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,或者说是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的星系,并且确定它们到地球的距离以及它们远离地球的速度。一旦测定了哈勃常数,天文学家通过一个简单的数学公式便能得出宇宙的年龄。用这个方法得到的宇宙年龄为137亿年。

测算宇宙中最古老天体的年龄也可以推算出宇宙的年龄。通过测量老年恒星中放射性物质的衰变,测定出宇宙的年龄为120亿~150亿年。其中一项研究测量了老年恒星中的铀衰变,测定出宇宙的年龄为125亿年。

另一条途径是测算古老星团的年龄。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。这意味着宇宙的年龄大约为120亿年。

白矮星也可以用来测定宇宙的年龄。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。通过这一方法,天文学家测定银河系中银盘的年龄大约为100亿年。而银盘形成于宇宙大爆炸之后约20亿年,由此推算出宇宙年龄至少为120亿年。

目前,这些测算方法越来越精湛,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137亿年作为对宇宙年龄的最佳估计值。

 

5 宇宙有多大

关于宇宙的大小,天文学家曾进行过两场大辩论。1920年,天文学家沙普利和柯蒂斯在美国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”(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。他们关于太阳在银河系中的位置也有不同的意见。沙普利认为太阳位于银河系的边缘,而柯蒂斯认为太阳靠近银河系的中心。后来的研究证明,关于宇宙的大小柯蒂斯是对的,关于太阳在银河系中的位置沙普利是对的。

和宇宙的年龄一样,宇宙的大小也取决于哈勃常数。1996年,在沙普利和柯蒂斯辩论的同一个大礼堂里,天文学家范登伯格和塔姆曼就哈勃常数的数值进行了大辩论。范登伯格提供的证据表明宇宙的年龄和尺度都比较小,而塔姆曼认为宇宙的年龄和尺度都比较大。由于没有足够的数据,当时的天文学家无法就此问题达成一致。

尽管如此,天文学家过去100年的观测还是可以为最终的结果设定一些范围。使用最强大的望远镜,天文学家可以看到100亿至130亿光年远的星系。但是,由于宇宙在膨胀,可观测宇宙的边界可能距离我们至少465亿光年,因此,可观测的宇宙“直径”至少有930亿光年。

真实的情况可能更复杂。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也可能远远大于我们所能观测到的范围。天文学家认为,算上不可见的部分,其直径至少有8.85×1010亿光年。
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