你的位置:學習網 - 視頻教程 >> 科技 >> 科普 >> 詳細內容

《柔軟的宇宙 第19章 黑暗的心 》




收藏本資料

本資料所屬分類:

科技 科普

更新時間:2017年8月16日

如不能下載,請查看怎樣下載




       不管是伽馬射線暴也好,還是超新星爆發也好,都是瞬間發生的突發事件,只能被動地去等待。哪里爆了,馬上調轉鏡頭過去看看余暉。最新發射的觀測伽馬射線暴的雨燕(Swift)衛星就是這么干的。探測到有伽馬射線的突然增強,迅速探明方位,一分鐘內,望遠鏡就能轉過去對準發射源,盯著余暉開始收集數據。但是不管怎么樣,研究的時間總是有限,我們總不能兩手一攤說沒看清楚,我架好相機了,麻煩您再爆一回吧?這又不是拍電影,導演可以喊“咔!”但是有一類天體,也是能量極其巨大,但體積卻很小,看起來與恒星并沒有什么區別,倒是可以長時間的穩定觀測,到底是個什么東西呢?

        那是在二十世紀六十年代射電天文大發展期間,有一個重要發現叫“類星體”。人們一開始只是合并光學觀測資料和射電觀測資料,說白了就是射電望遠鏡在某個方位聽到了射電信號,然后看看那個位置是不是有一顆光學上看得到的星星,假如能對應起來,那么對這顆星星就能建立一個非常全面的了解,從射電波段到光學波段整合起來考察。之后大家陸陸續續發現了一大批射電信號很強的天體,不過有一個天體的譜線讓大家很困惑。1960年,美國帕洛馬山天文臺的艾倫·桑德奇首先在三角座發現了一個射電信號源3c48,這個天體看起來不過是個普通恒星的樣子,但是它的譜線與其他的恒星都不一樣,有非常寬的發射譜線,一般的恒星都是吸收譜線,紫外波段也比別的恒星強得多。后來發現另外一顆射電源3c273也是類似的情況,總而言之,光譜比較奇葩。1963年,英國天文學家西里爾·哈澤德提出:月球將會遮擋射電源3c273,月球的遮擋,可以更加清晰地分辨這個射電源的細節,根據月
球邊緣遮斷射電噪聲的時刻能夠極精確地定出3c273這個源的位置。果然,他利用設立在澳大利亞帕克斯的六十四米射電望遠鏡精確地觀察到了月球漸遮擋這顆射電源的過程。他發現這個射電源其實是“射電雙源”,兩個射電源之間,夾著一顆恒星。

        無論是艾倫·桑德奇還是西里爾·哈澤德,都沒能搞清楚這東西究竟是個什么玩意,為什么會有如此奇怪的譜線。哈澤德的同事施密特最終發現,這是一種全新的天體。他用帕洛瑪山的五米望遠鏡仔細觀察了這個天體的光譜,準確地測量了每一條譜線,回家悶頭想了一個禮拜,終于恍然大悟:這些譜線看上去很奇怪,但是其實并不是什么新鮮東西,就是最常見的氫光譜線系,只是發生了巨大的紅移,因此大家都不敢認了。施密特把他的結論發表在英國的《自然》雜志上,當時沒人發現過紅移如此巨大的天體,這個天體紅移巨大,顯然不是在銀河系里面的普通恒星,而是一種非常特別的天體,距離地球大約十億光年,體積與恒星差不多,但是亮度足足比整個銀河系大了二百倍。

        既然不知道這東西為什么能亮到如此地步,而且還能穩定地持續好多年,那么只能給它起個直截了當的名字,于是科學家們把它叫做“類星體”,說白了就是“類似恒星的天體”。這個名字基本上是等于什么都沒說,后來人們提起類星體的發現者一般來講都會提到施密特,對桑德奇和哈澤德很少提及。據說桑德奇很郁悶,最后一走了之,再也不碰帕洛馬山的五米望遠鏡。說到底,有人的地方就有江湖啊,科學家也概莫能外。

        后來,科學家們逐漸發現了一些“寧靜的類星體”,它們并沒有強烈的射電輻射,大部分類星體的辨別只能從光學信號特征上下手。依靠光學觀測統計出有射電信號的大約只占了10%。幾十年來,類星體發現了成百上千顆,有了CCD加盟以后,更是可以利用計算機技術實現自動拍攝,觀測也比以前更加方便了。但是類星體依然是“類星體”,沒人知道這東西到底是個什么玩意,如此巨大的能量又從何而來。其實只要我們粗略估計一下,就足夠讓我們“細思極恐”。看上去跟恒星沒啥區別,能量卻如此巨大。那么毛估一下光壓就大得不得了,引力能不能拉住這些動力澎湃的物質呢?要多大的質量才能有如此強大的引力?別忘了,體積還很小喲!答案指向了一個理論物理學家們的最愛——黑洞。黑洞能如此之亮?反了吧,是白洞吧?白洞一個勁往外噴,倒是個很不錯的解釋喲!可是我們的宇宙好像沒有白洞形成的條件,這種可能性很小。但黑洞怎么會如此之亮呢?類星體仍然是個謎!

        與此同時,天文學家們發現,宇宙中還有些東西看起來很像是類星體,光譜之中也有發射線,但它們顯然不是類星體,它們都是星系的核心。通過望遠鏡,可以觀測到它們所在星系的結構。塞佛特星系的星系核光譜很像類星體,這兩者有什么聯系嗎?還有一種奇怪的蝎虎BL星系,星系核亮度變化很大,可以在幾個禮拜的時間內就增亮一百倍,光譜和類星體也很相似。科學家把這幾個類型的星系核統稱為“活動星系核”,星系核由于太亮,而且塵埃和氣體實在是太多,顯得迷霧重重,根本看不清楚里面有什么東西。銀河系中心也有一個大核球,恒星非常密集,銀河系核心部分就看不太清楚。這還是離我們最近的一個星系核,別的星系就更不行了。

        后來科學家們發明了一個辦法,那就是用紅外波段去觀察銀河系核心,紅外波段波長比較大,不太容易受到塵埃和氣體的影響。在紅外波段,我們終于可以穿透迷霧看到銀河的核心部分了。從1995年~2005年,科學家們動用了最大的凱克望遠鏡對著銀河核心部分觀察了十年,描繪了銀河系最中心部分的恒星運動軌跡,發現它們都圍著一個體積很小的區域轉圈圈,范圍大約相當于冥王星的軌道直徑。人們猜測在那兒一定有什么東西,可是照片上又看不到什么,這個區域還是一個超強的射電源,后來人們把它稱為“人馬座A*”。

        大家根據周圍那些恒星轉圈圈的軌道來反推這個區域的質量,計算出來大約是四百萬個太陽質量。既然這個區域有很強的射電輻射,那么可以通過射電觀測的辦法來確定到底這個射電源有多大。后來又利用甚長基線干涉技術,算出核心部分大小只有0.3天文單位,大約是水星軌道的范圍,這個看不見的天體大小不超過水星軌道。如此狹小的空間內,能擠下四百萬個太陽質量的東西?看來已經塵埃落定,不是超大質量黑洞那才叫見了鬼呢!

        大家再接再厲,又在銀河系外其他星系的核心發現了超大黑洞。看來星系核心有一個超大黑洞是個普遍現象,黑洞與星系的發育和成長是很有關系的,黑洞越大,星系恒星就越多,仿佛黑洞有辦法催生一大堆恒星。也就在大家開始觀察銀河系星系核的時候,天文學家們又發明了一種新觀測方法,那就是觀察類星體的時候,擋住中心的大亮點,有點“人造日食”的意思。哈勃太空望遠鏡就有這個功能,這樣一來,被類星體的光芒掩蓋的周圍部分就可以看清楚了。

         圖19-2 遮擋住中心強烈的輝光,終于看到了宿主星系

        人們發現,原來類星體就是個活動星系核,過去是因為中心太亮,導致周圍星系盤子被光芒掩蓋看不到,現在終于觀察到了宿主星系(圖19-2)的結構,類星體能源之謎基本上揭開。結果當然不出所料,星系核心的超大黑洞在瘋狂地吸收周圍的物質,周圍的氣體和塵埃變成了一個吸積盤。吸積盤長相類似于土星的光環,但是這個吸積盤可比土星環狂暴多了,物質圍繞著黑洞高速旋轉,有的物質掉進去,我們自然是什么都看不到了。還有很多物質在繞著黑洞旋轉的過程中相互摩擦擠壓,釋放出了巨大的能量,質量轉化成能量的效率要比恒星高得多。旋轉的吸積盤形成了相對論性噴流,沿著整個黑洞和吸積盤的南北兩極噴射出去,假如噴流正對著我們,我們就可以看到一個明亮的大光點。

        還記得旋轉黑洞的克爾解嗎?那些在講座上昏昏欲睡的天文學家們,現在要抓緊時間拼命惡補旋轉黑洞的計算問題了,計算相對論性噴流恐怕是離不開克爾的計算方法的。當然啦,還有人懷疑這是彭羅斯過程和米斯納超輻射在搗鬼,不過大部分人還是相信相對論性噴流才是正解。

        過去物理學家信誓旦旦地說存在黑洞這玩意,天文學家都不信,因為這東西誰都沒看到過,黑洞不過是理論物理學家的計算結果。現在完全顛倒過來,天文學家們都拍胸脯說存在黑洞,物理學家們反倒狐疑起來,這東西真的夠黑嗎?信息不守恒怎么破?一系列撓頭的問題在困擾大家。因此霍金甚至說:這東西應該叫“灰洞”,并不完全烏漆墨黑!在2015年2月26日出版的國際頂級科學期刊《自然》上,“研究快報”欄目刊出一篇論文,名為《一個紅移6.3、有120億倍太陽質量黑洞的超亮類星體》。中國團隊發現了一個距離我們一百二十八億光年,亮度達到太陽四百三十萬億倍的類星體,中心黑洞的質量也達到了一百二十億個太陽的驚人數字,這也成了當時發現的最明亮、最遙遠、中心黑洞質量最大的類星體。

        我國過去長期缺乏大型觀測設備,望遠鏡口徑有限,觀察這么遙遠的天體需要下一番工夫。我國的年輕團隊對比了國內兩米口徑望遠鏡的觀察數據,以及美國六點五米的多鏡面望遠鏡(MMT)和八點四米大雙筒望遠鏡(LBT)的數據,發現只要方法得當,兩米級別的望遠鏡,還是可以用來觀測類星體的。他們利用麗江口徑二點四米望遠鏡,發現了幾個紅移在6以上的天體,之后又申請調用國外三臺大望遠鏡的觀測數據,最終確認了一個黑洞質量最大的類星體,這家伙比以前發現的那些高紅移類星體的質量和亮度都要大四倍。

      遙想當年,宇宙誕生也不過才九億年,如何能生長出如此巨大的黑洞?按照我們過去的理論,超大黑洞也是從小慢慢成長,后來越吃越大的,現在看來時間不夠,起碼對這個一百二十億個太陽質量的大家伙是肯定不夠的。后來黑洞的記錄又被刷新,一百八十億倍太陽質量的黑洞也被發現了,這就更加說明,必然有一種機制,可以超越恒星級黑洞直接形成超大型黑洞。早期可能直接形成了質量達到數十萬個太陽質量的“相對論星體”,該星體會因其核心產生擾動而開始出現不穩定狀態,可以在沒有形成超新星的情況下直接塌縮成黑洞。當然,這要積累更豐富的觀測數據才能了解得更多,現在還只能在大型計算機上進行模擬計算。

        我們看到的這些遙遠的類星體,都是宇宙早期的情景。因為離得越遠,光跑過來花的時間也就越長,宇宙早期十億年左右發生的事,現在剛好被我們看到。我們看到的類星體都是活蹦亂跳生機勃勃的,畢竟那是萬物初始的時代,超大黑洞那時候有的是東西可吃,因此發射出了強烈的噴流,但是河系中心的那個超大黑洞已經餓了好久了,周圍的東西早都吃光了,偶爾有什么東西路過被吃掉,還能看到銀心黑洞“打個飽嗝”——發生一次閃光。專家們預言:2013年會有一大團名叫G2的云氣路過銀心,應該會發生一個大爆發。哪知道后來一直很平靜,銀心黑洞并沒有半路打劫,說好的大爆發并沒有到來,看來G2還真是幸運。


                           圖19-4 綠色鬼魅般的漢尼天體

        在2011年,哈勃還看到一個神秘現象,那就是漢尼天體(圖19-4)。其實漢尼天體2007年就被人發現了,是一團神秘的綠色云團。國際上有個項目叫做“星際動物園”,在網上召集大群的志愿者來對“斯隆數字巡天計劃”積攢的星系進行分類,荷蘭教師漢尼幸運地發現了這種神秘的綠色云團。后來經過研究,這種云團就是被噴流探照燈照亮的一團云氣。

        這個噴流在二百萬年前就滅了,但是漢尼天體依然有余暉存在,而且還能看得出,上面有一大團陰影,這是怎么回事呢?這是當年類星體還在活動的時候,噴流被一團云氣給擋住了,留在漢尼天體上的影子。就像電影放映的時候,小朋友總喜歡伸手做個手影投射在銀幕上一個道理。后來又經過精細研究,大家發現這一片發光的云氣其實是一大塊云氣的一小部分,因為當年那個類星體噴流就像個探照燈,僅僅噴到了很小一塊地方,這塊云氣總大小有三十萬光年上下,就是當年兩個星系合并的時候互相撕扯留下的氣體尾巴。從這個尾巴的形狀來看,兩個星系在引力的作用下跳起華爾茲,周圍的氣體也被揮灑得如同飄舞的彩帶,加上中心噴流照亮的部分,顯得鬼魅般神秘。最后兩個星系合并成一個不規則的星系,兩個星系核中心的超大黑洞也相互圍繞旋轉,輻射出一陣陣的引力波,直攪得周天寒徹。噴流熄滅以后,漢尼天體仍然會有余暉。據推測,我們的銀河系與仙女座大星系在四十億年以后合并之時,周圍也會有一大團綠色發光氣體包圍著我們,也不知道那時候的夜空是何等情景。

        類星體的紅移量非常大,根據紅移推測,它們的退行速度達到了光速的幾分之一的樣子,這已經是很了不起的高速了。類星體的噴流即便發現超光速現象也不新鮮,例如在1972年,美國天文學家就發現類星體3C120的膨脹速度達到了四倍光速,還有人發現類星體3C273中兩團物質的分離速度達到了九倍光速,而類星體3C279(QSO1254-06)內物質的運動速度達到光速的十九倍。當時人們以為相對論遇到了嚴重挑戰,后來才發現不是這么回事。其實這都僅僅是視覺現象,并不是真的超了光速,人家運動速度沒那么夸張。不僅僅是遙遠的類星體,在銀河系內也發現了這種視覺超光速的天體。1994年,銀河系中的GRS1915+105首次被發現存在視超光速噴流,這種東西叫做“微類星體”,就是兩個致密的天體相互繞著轉,附帶有吸積盤,跟類星體長得很像,只是規模不太上檔次,所以叫做“微類星體”。一般來講視覺超光速現象都是噴流的方向與我們的視線有個小的夾角,我們在觀察噴流速度的時候,看上去會超過光速,但其實并沒有發生超光速現象,只是一種視覺幾何效應。當然了,因為空間本身的膨脹不受任何限制,假如有的天體退行速度達到了光速,那么我們就看不到它們了,它們就在我們的可視宇宙范圍之外了,但是真的永遠不可能看見它們了嗎?不一定。哈勃發現了宇
宙在膨脹的直接證據,那就是在大尺度上,所有天體都在遠離我們。天體的遠離速度跟距離成正比,離得越遠退行越快,這個距離和速度的比值就是所謂哈勃常數。之所以稱常數,那就是因為不變化,但是,哈勃常數真的不變嗎?不是的,“哈勃常數”并不“常”。

        首先在宇宙爆炸的初始階段,有過暴脹階段,那一刻的膨脹速度大得嚇人,遠遠超過了光速,后來過了這個階段,膨脹速度就降下來了。大約到了六十億年之前,我們的宇宙開始加速膨脹,隨著時間的推移,膨脹速度是有變化的,換句話說,哈勃常數是變化過的,因此哈勃常數并不是一個“常數”。我們現在可視宇宙的大小,就是當前哈勃常數的倒數,再遠的區域,我們看不到了。假如在這個區域的邊緣上,星系的退行速度將等于光速,發出來的光永遠也走不到我們眼里,我們當然也就沒法看見了。但是,如果未來哈勃參數變小了,視野范圍變大了,那么原本在視野之外的天體,很可能又會重新被刮進可視范圍之內。不過這只是理論上的可能性,恐怕要經過幾億年的尺度哈勃常數才會有顯著變化,真是活得久才能看得見。

        還有一個地方大家可能會有疑問:為啥宇宙膨脹,周圍的天體都沒膨脹呢?我們自己也沒膨脹啊?假如大家等比例膨脹,等于沒脹。這里我們首先要理解哈勃常數的含義,天體的距離和退行的速度成正比。我們人和人之間的距離在宇宙大尺度面前,那是可以忽略不計的。兩個人之間的遠離速度多大?小得幾乎為0,很輕松就能被其他的力打敗,比如萬有引力,比如電磁力。化學結構基本上是電磁力管控的范疇,引力雖然弱小,也能夠輕松克服膨脹的效果,哪怕是銀河系到仙女座星系這樣的距離內,引力還是占了主導地位,兩者還在彼此靠攏。在超越星系團以上的更大的尺度內,引力不明顯了,膨脹才能看得出來。更遠的尺度內,暗能量發揮作用,宇宙開始變本加厲地加速膨脹。

        我們對宇宙的了解,都是通過電磁波來實現的,但是,有些事情是屬于“黑吃黑”,比如兩個恒星級黑洞合并,周圍又空空蕩蕩并沒有什么東西給它們吃,因此也不會有什么噴流或者吸積盤之類的事情發生。現在對于黑洞的探測都是依靠觀察外圍效果,比如吸積盤啦,噴流啦,或者是恒星繞著小圈圈瘋狂地轉啦,都是靠黑洞對周邊可視天體的影響來判斷黑洞的特性的。黑洞從來也不會直接告訴我們它自己的信息,也許它告訴我們了,我們卻沒聽見。它能告訴我們什么呢?且聽下回分解……
上一篇 下一篇
發表評論

網友評論僅供網友表達個人看法,并不表明本網同意其觀點或證實其描述。

查看全部回復【已有0位網友發表了看法】
云南快乐十分开奖号 18选7历史开奖 山水广西麻将下载 黑龙江快乐十分规则奖金 台球*克比赛视频 2019年精准半波中特 四川麻将规则 有天津时时彩这个彩票吗 台球直播比赛视频直 斗牛牛棋牌 上海11选5历史数据 股票开户要多久 东北麻将下蛋 亿胜金融 20选8广东开奖结果 快3走势图今天 股票配资平台专业配资就选恒瑞行配资