科学松鼠会 » Shea http://songshuhui.net 剥开科学的坚果,让科学流行起来 Wed, 20 Sep 2017 23:04:48 +0000 zh-CN hourly 1 http://wordpress.org/?v=4.3.12 http://songshuhui.net/wp-content/uploads/cropped-songshuhui-32x32.jpg » Shea http://songshuhui.net 32 32 一场冲向宇宙黎明的竞赛 http://songshuhui.net/archives/96899 http://songshuhui.net/archives/96899#comments Sun, 02 Apr 2017 22:23:39 +0000 http://songshuhui.net/?p=96899 本文作者:Shea

Shea 编译

暴胀是现代宇宙学的核心。那么,为什么到现在天文学家还没有看到它的任何迹象呢?

阿兰·古斯(Alan Guth)和安德烈·林德(Andrei Linde)在美国麻省理工学院的报告厅中举杯欢庆科学的力量。作为暴胀理论的奠基人,他们曾经提出的疯狂理论,现在有了物理证据,诺贝尔奖似乎也会接踵而至。2014年3月18日的《纽约时报》头版报道《空间涟漪为宇宙大爆炸提供强有力证据》。美国哈佛大学、斯坦福大学和世界各地的其他大学也竞相宣布他们的科学家也参与其中。

在南极,有一架望远镜在宇宙最早的辐射——宇宙微波背景——中发现了一个明显的扭曲特征。被称为B模偏振,它被视为是证明在紧接着宇宙大爆炸之后发生过暴胀的决定性证据。这架望远镜被称为宇宙河外偏振背景成像(BICEP)/凯克阵列。

在该发现团队的公告中,团队成员美国明尼苏达大学的克莱姆·普赖克(Clem Pryke)说:“这就像大海捞针,而我们却发现了一根撬棍。”

几十年来,暴胀一直是一个被广泛接受的、但仍未被证实的理论。它认为在宇宙诞生之后仅一万亿亿亿亿分一秒,我们的宇宙从亚原子的尺度膨胀到了一个柚子的大小。

南极日落

南极日落中的BICEP(前景)和SPT(背景)。版权:Steffen Richter (Harvard University)。

麻省理工学院著名的数学家和宇宙学家马克斯·泰格马克(Max Tegmark)那天也在报告厅,他将这个比喻成母亲怀着的婴儿。

“每一天你的大小都会翻倍,如果你在9个月的时间里一直维持这样的状态,那你妈妈肯定就够受的了,”他说,“对于宇宙也是一样。”

暴胀理论中不可思议的超光速膨胀才是真正的“爆炸”。(泰格马克更喜欢把大爆炸本身看作是规模更小的“爆炸”。)暴胀为接下去138亿多年的宇宙演化提供了可能,从夸克到原子、恒星和行星——甚至生命。

举杯相庆的宇宙学家古斯和林德正是率先提出存在这一暴胀时期的科学家。1979年,它脱胎于优美的数学模型,当时古斯提出该模型是为了解释奇异的磁单极粒子的缺失,它们本应在大爆炸中被创造出来。古斯发现,我们的宇宙并非是缺少单极子,它们只是被暴胀的高速膨胀稀释了。

但暴胀能做的远不止于此。正如古斯所喜欢指出的,宇宙大爆炸其实根本就不是一个真正的有关爆炸的理论。它所描述的是爆炸的后果,不涉及导致大爆炸的物理机制,也无法回答是什么以及为什么发生了爆炸。

古斯花了半年的时间来研究这个问题,直到在一个漫长的夜晚,他构想出了一种“壮观的实现”。

古斯的理论在描述这个爆炸上非常特别。它认为,在一开始的时候时空具有负压强,表现为可以对抗引力的斥力。在短暂的瞬间,这个斥力发威,驱动空间在很短的时间内发生指数式的膨胀,其膨胀速度甚至可以超过光速。

然而,光有古斯的暴胀还不够。它并不能使得宇宙继续膨胀成我们现在所看到的样子。他的暴胀模型会把宇宙变成一个由碰撞和融合的泡泡所组成的无穷混合体。暴胀需要林德的帮助。古斯的模型包括了所有的宇宙,但1981年林德计算发现在任何一个地点都会发生膨胀。他的暴胀理论被称为混沌暴胀,把我们的宇宙变成无穷的多重宇宙中的一个。

35年来,暴胀已占据了宇宙学的核心位置,因为它可以解释一个又一个的有趣问题。相比其他任何的理论,暴胀能更好的解释为什么空间是平直的以及宇宙中相距遥远的地方是如何相联的。根据暴胀理论,计算机模拟可以重建出宇宙的大尺度结构。

总之,没有暴胀理论将会是物理学的一大损失。没有暴胀,标准宇宙学标型就没有了它的起点。

BICEP(左)和SPT(右)的俯视图

BICEP(左)和SPT(右)的俯视图

尘埃落定

但是,该怎么去检验如此大胆的一个理论?理论家预测,其指数式的膨胀会以引力波的形式留下明显的印记,而这些引力波会扭曲光线,在宇宙微波背景辐射中产生B模偏振信号。

然而,尽管古斯和林德在庆祝BICEP的结果,但对这一B模发现的质疑也开始在学术界悄然发酵。一些理论家指出,观测到的偏振信号比预期的强太多。其他人则质疑该团队在没有经过同行评议就先召开新闻发布会宣布结果的做法。

“很快,质疑都集中到了BICEP团队分辨宇宙微波背景和尘埃的能力上,”美国加州大学伯克利分校的天文学家马丁·怀特(Martin White)说,他也是参与欧洲空间局普朗克任务的科学家。这一怀疑被证明是有理有据的。普朗克探测器测量了天空中较BICEP所观测的更大得多的区域,但分辨率较低。它的最终结果显示,BICEP所探测到的大部分信号都受到了来自我们银河系中前景尘埃的干扰。不幸的是,这些干扰信号几乎遍布整个天空。

现在,距离国际媒体头条新闻宣布这些引力波的发现已经过去了2年,科学家也已经确信BICEP看到的是尘埃——并非暴胀。但是,就这些信号中还有什么目前仍不确定。来自时间之初的B模信号是不是有可能隐藏在其中呢?

一场寻找暴胀首个证据的竞赛正在不断升温。眼下至少有8台仪器正在搜寻大爆炸的这些细语。为了要找到它们,宇宙学家们首先要破除掉一切的干扰。

阿塔卡马宇宙学望远镜

位于智利沙漠中的阿塔卡马宇宙学望远镜。版权:M. Devlin

宇宙大爆炸仍在燃烧的余烬

BICEP并不​​是第一个因宇宙微波背景的信号而感到沮丧的团队。1964年,美国贝尔实验室的科学家阿诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)在使用位于新泽西的高灵敏度喇叭天线做射电天文学研究时,他们发现在天空中有一个挥之不去的微小噪声。

两人最终排除了它来自地球、太阳甚至是我们自己的银河系。这个噪声来自四面八方。

他们不知道的是,就在距离他们不远的普林斯顿,以罗伯特·迪克(Robert Dicke)为首的一组天体物理学家正在准备去搜寻彭齐亚斯和威尔逊所发现的这一信号。虽然自从维斯托·斯里弗(Vesto Slipher)和埃德·温哈勃(Edwin Hubble)的观测证明宇宙在膨胀已经过去了几十年,但有关宇宙大爆炸的辩论却仍在激烈进行中。只要把宇宙膨胀反过来推演,天文学家就会发现到整个宇宙都融合于一点。

如此前其他人所做的,迪克的小组认为,当大爆炸开启这一膨胀时,它必定会把微波辐射播撒遍整个宇宙。令人难以置信的是,他们所预言的辐射与喇叭天线所探测到神秘信号非常吻合。两个小组同时发表了他们的发现。彭齐亚斯和威尔逊偶然发现的信号为他们摘得了1978年的诺贝尔奖。而现在,宇宙微波背景辐射也成为了大爆炸宇宙学的坚强支柱。

从那以后几十年来,我们已经很清楚地知道宇宙微波背景辐射充满了整个宇宙,存在于所有的方向上,它们的亮度也大致相同。

宇宙微波背景中的光子是宇宙在大爆炸之后38万年变得透明时所留下的遗迹,当时的宇宙已经冷却到约3 000开。在这之前,宇宙是一锅过于浓稠的粒子汤,自由电子和质子无法结合形成宇宙中最主要的成分——氢。

宇宙学家称之为复合时期,它使得光子可以自由地在太空中穿行。因此,天文学家看到的每个宇宙微波背景光子都来自于近138亿年前它们和电子发生最后一次散射的地方。美国宇航局戈达德空间飞行中心的宇宙学家、2006年诺贝尔奖得主约翰·马瑟(John Mather)说:“宇宙微波背景亮度的分布图所显示的是从每一个方向于现在抵达我们的辐射。如果你再等上10亿年,仍然会有辐射从各个方向源源不断地到来。”

这种平滑度也被认为是暴胀的产物。在宇宙诞生后秒,暴胀的快速膨胀已经抹平了充满宇宙的高温电离气体中任何的团块。

但微小的量子涨落——变化幅度在十万分之一的水平上——会引入新的密度起伏。引力会把越来越多的物质吸引到稠密的区域中。它们是将来形成星系和星系团的“种子”,也在宇宙微波背景中留下了斑斑点点。

自彭齐亚斯和威尔逊发现宇宙微波背景起,天文学家就已经知道,当其中的光子穿行于宇宙中时,位于其进行路线上的物质,例如宇宙历史早期的大尺度结构,会使得其具有“各向异性”——宇宙微波背景中微小的温度差异。在飞往地球的过程中,宇宙微波背景光子在这些结构中逗留的时间越长,它的温度看上去就越低。这一温差让天文学家能以一种全新的方式来研究宇宙,揭示了它的演化。

光以波的形式传播,就像在大洋表面运动的水。如果它们在某个特定的方向上发生振荡,这些波就具有了偏振。例如,水波会上下振荡。当地球大气中的粒子反射阳光时,地球的蓝天也就有了偏振。

同样,宇宙微波背景也会具有微小的偏振。但它的方向则是由早期宇宙中的物质来决定的。

智利沙漠中的“北极熊

同样位于智利沙漠中的“北极熊”。版权:POLARBEAR

计算扭曲

1996年,斯洛文尼亚的理论宇宙学家、现美国加州大学伯克利分校教授乌罗什·塞利亚克(Uros Seljak)在寻找新的方法来从宇宙微波背景中提取信息,他怀疑其中还隐藏着秘密。

与由星系所产生的大尺度显著影响不同,塞利亚克想要寻找宇宙微波背景中的小尺度扭曲。他提出,如果暴胀确实发生了的话,那么在剧烈的膨胀阶段会形成大量的引力波,随后它们会传遍整个宇宙。这些引力波也会扭曲宇宙微波背景中的光,产生一个标志性的旋涡形状。如果在天空中观测到了这一现象,就能为暴胀提供物理证据。

以磁场的符号,塞利亚克将这一理论上所预言的扭曲称为B模。类似于电场的偏振则被命名为E模。他的论文和其他的研究开启了探测B模偏振的热潮。

“实验物理学家非常迅速地就抓住了这个想法,”他说,“当然,他们目前还没有足够的敏感度来看到它,而为了达到现在的灵敏度则差不多花了近20年的时间。”

在探测B模的项目中,BICEP是最雄心勃勃的。它第一个达到了寻求供答案所需的的分辨率。“这是一场自1997年持续至今的比赛,现在我们终于达到了能开始取得成果的地步,”塞利亚克说。

杰米·博克(Jamie Bock)是美国加州理工学院的一名实验宇宙学家。10多年前,他和其他几个物理学家一起设计并建造了BICEP。从那时起,这个团队就在南极对天空进行系统地勘测。他们的目的是测量宇宙微波背景中的B模偏振。该团对称这一信号为宇宙引力波背景。

南极的高海拔和干燥气候为进行微波观测提供了一个完美的地点,而在地球上的其他地方微波很容易就会被水蒸汽吸收掉。

光的本质是电磁波,具有磁场和电场分量,电场的振荡方向即为偏振方向。偏振可以形象地用线段来表示:B模具有扭曲和涡旋的形状,E模则则是无旋的。

遗迹辐射

在探测B模的竞赛中,BICEP并不是唯一的参赛选手,但其他与之竞争的项目则做出了妥协,以确保它们也可以回答更多有关宇宙的问题。

因此,当BICEP不断在小尺度上提高其测量精度之时,其他的团队则正在从相反的方向来推进。南极望远镜(SPT)和阿塔卡马宇宙学望远镜偏振计(ACTPol)正在使用其庞大的仪器来完成对宇宙微波背景大尺度的巡天。它们的研究结果预计很快就会公布。

“我认为,进行不同的测量对这个领域来说是有益的,”博克说。

使用ACTPol、SPT和“北极熊”(POLARBEAR)——另一个位于智利阿塔卡马的宇宙微波背景偏振实验,天文学家正在使用宇宙微波背景来研究宇宙中的大尺度结构,例如早期星系。当宇宙微波背景辐射穿过一个星系团时,其光子会和星系团中的电离气体发生相互作用,进而改变了光子的波长。

高新ACTPol的首席科学家苏珊·斯塔格​​斯(Suzanne Staggs)说:“宇宙微波背景中的每一个光子在飞往我们的过程中平均会受到50次这样的影响。”

这就可以把宇宙微波背景作为光源,天文学家可以通过研究其中的斑点来编纂出新的星系团表,其中一些的距离和大小甚至超过了此前所已知的。因此,即便这些实验没有探测到B模,天文学家也能够了解有关早期宇宙中星系演化的惊人内幕。

然而,这一效应也会干扰B模的探测。当一个有偏振的宇宙微波背景光子穿过这些星系团时,由此产生的引力透镜效应会给它增加额外的扭曲。要探测到来自暴胀的B模信号,这些效应必须要像尘埃干扰一样被去除掉。

“从我们目前所看到的来说,我个人感觉,你必须要在每一个地方都对其进行修正,”斯塔格斯说,“但这目前还做不到。随之而来的问题是这个改正有多大,以及在什么样的程度上你觉得你可以完全相信它。”

另一个与BICEP相竞争的项目是一架搭载在气球上望远镜,被称为“蜘蛛”,它高高得飘浮在会干扰观测的地球大气之上。这个项目包含了来自BICEP、SPT和其他项目的成员。2015年1月,它在南极上空收集了宇宙微波背景的数据。

2016年的第二次飞行将会在地面也能观测的频率上来进行,以便进行比较。该团队预计也将很快公布其结果。

对于BICEP来说,引力透镜信号已经与其仪器噪声在相同的水平上。这表明在冲向暴胀的竞赛中该团队占据了优势——他们的仪器最灵敏。“现在我们就在这个突破点上,”博克说。

在宇宙微波背景光子飞向地球的过程中,类似星系团这样的大尺度结构会对其产生偏折作用。这一引力透镜效应会使得宇宙微波背景光子具有额外的微小扭曲,它虽然有助于了解宇宙的演化,但却会干扰对暴胀信号的探测。版权:ESA/the Planck Collaboration。

渐暗的线索

第一代的BICEP是一个仅使用了98个探测器的阵列。但到2015年开始观测的时候,这个数字已增长到2 560个,使BICEP具有了惊人的集光能力。

不过,需要指出的是,没有人能确保B模就一定会真的存在。这是BICEP必须要冒的真正风险。它把赌注全压在了最流行的林德的混沌暴胀理论上,来探测由它所预言的原初B模。

因此,当BICEP2在2014年看到B模在天空中是如此的强时,甚至博克自己都感到很惊讶。宇宙学家使用比值r来度量这一信号,它表征的是在早期宇宙中引力波相较于密度变化的对比度。简单来说,r代表着暴胀的强度。BICEP测得的r值为0.2,大约是预言的2倍。这一强度被视为是对林德的混沌暴胀模型的支持。在这一发现被公布之后,整个暴胀理论界都开始庆祝。

然而,对此的首批科学质疑之一便来自B模的命名者——塞利亚克本人。

“和其他人一样,我也对BICEP的结果感到兴奋,我们都在庆祝,”他说,“随后,我开始查看那些在普朗克探测器会议的论文集中已经公布的结果。”

塞利亚克发现,BICEP团队在与普朗克探测器的结果进行比较时,使用了过时的数据。当把普朗克探测器的新结果带入之后,探测到来自银河系之外B模信号的置信度便消失了。

“我们问了一个很简单的问题:BICEP的信号是否有可能来自尘埃?”塞利亚克说,“对这个问题的分析显示,这些信号完全可以用尘埃来解释。”

“实际上,这一结果之后变得越来越没有说服力,”他补充道。“BICEP和普朗克探测器之间的联合分析表明仅有存在B模的一丝迹象,而现在即便是这个迹象也消失了。”

宇宙微波背景与尘埃分布图的比较。上图为BICEP2所探测到的B模信号,看上去与暴胀引力波所产生的偏振类似。下图为普朗克探测器所探测到的来自尘埃的偏振辐射,其中用白线勾出的区域与BICEP2所观测的天区。通过仔细地比对两者,结果显示BICEP2的信号受到了尘埃辐射的严重干扰。版权:上图:BICEP;下图:ESA/Planck Collaboration。

随之而去的还有对混沌暴胀理论的支持。但BICEP团队仍在搜寻天空,将他们的目光放在95千兆赫的频率上,在这个波段上他们的仪器对宇宙微波背景会比对尘埃更加的敏感。一旦他们把这些测量结果和此前的归总到一起,应该可以把他们的测量误差减小到之前的1/2,进而澄清暴胀的信号是否真的存在。

BICEP的最新数据已于2016年1月底公布,支持了此前信号来自尘埃的论断,并进一步调低了r的上限(r<0.09)。博克说,未来几年应该会看到暴胀所预言的最常见信号是否能被探测到,r值的上限预期将会被进一步的压缩。

“如果没有探测到信号,也同样是吸引人的,”博克说。也就是说,如果仪器什么都没有发现,那么理论家将不得不回到原点,思考一下我们对暴胀的理解可能出现了什么问题。

从塞利亚克的角度来看,暴胀理论是有生命力的。它对宇宙的解释极具价值。然而,塞利亚克也认为,搜寻时间之始的B模竞赛已经排除了某些特定版本的暴胀——值得注意的是,其中不乏见于今天大多数教科书中的。“不管怎么说,暴胀是一个非常有说服力的理论,”他说,“它有许多已经被证实的东西。”

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巨型天体结构是另一个宇宙的入侵者? http://songshuhui.net/archives/96903 http://songshuhui.net/archives/96903#comments Mon, 06 Mar 2017 23:51:15 +0000 http://songshuhui.net/?p=96903 本文作者:Shea

Shea 编译

宇宙中最大的天体可能隐藏着超越我们维度的入侵者。

在充满宇宙的星系网中有一个巨大的空洞。由类星体所构成的一根巨弦可以跨越数百亿光年。一个由剧烈爆发所构成的环形占据了可见宇宙的6%。随着对宇宙观测能力的日益强大,天文学家们开始识别出比此前已知的还要更为巨大的结构。对此只有一个问题:它们中任何一个都不应该存在于那里。

自从哥白尼提出了他的革命思想,即地球在群星之间并没有什么特别的地方,天文学家就把它视为根本。宇宙学原理则更进了一步,认为宇宙中没有任何地方是特殊的。当然,在局部上可以存在不同等级的系统,例如太阳系、星系和星系团,但当你进入更大得多的尺度,宇宙就应该表现出均匀且各向同性。没有巨大的星系壁,没有巨大的空洞,也没有巨大的结构。

也难怪,这些接二连三的最新发现让宇宙学家们火冒三丈。然而,对这个问题的解答也同样充满了争议。有人提出,这些大质量的结构是另一个维度投影出的幻象,是存在我们自身之外现实的第一个诱人证据。如果是这样,那么这些庞然大物就并非是存在于我们宇宙中的物理实体,宇宙学原理依然适用。

在现代宇宙学中有一个魔咒,它就是宇宙中的“受青睐区域”。自文艺复兴以来,所有的科学想法都一直在反对这个概念。“受青睐区域”会使得用爱因斯坦的广义相对论来研究引力在宇宙演化中的作用变得更加困难。如果你假设宇宙几乎是均匀的,那么求解爱因斯坦的方程就会容易得多。不过目前,宇宙学原理仅仅是一个假设。没有具体的证据能佐证它是正确的,反倒是确实越来越多有证据来否定它。

以之前提到的宇宙巨洞为例,它的直径达到了近20亿光年。相比于宇宙中星系的平均密度,这个巨洞中的星系数量少了约10 000个。根据最新的观测数据,天文学家认为宇宙学原理只有在约10亿光年的尺度及以上才成立。此时,对于任意给定体积,其中物质的平均总质量才基本相等。然而,存在一个比这一尺度还要大2倍的巨洞着实让整个画面显得突兀。10多年前,天文学家在宇宙微波背景中发现了一个巨大的低温斑块,这个超巨洞兴许可以解释这个现象(见插页)。

然而,超巨洞其实还不算大。早在2012年,就有天文学家团队宣布发现了跨度超过40亿光年的巨大结构,其大小是超巨洞的2倍。那会是什么东西?显然,它肯定很不寻常。然而,这一次它并不是太空中一片空无一物的区域,反而却特别拥挤。被称为巨类星体群,它包含有73个类星体——非常遥远星系的明亮活跃中心区。自20世纪80年代初以来,天文学家就已经知道,类星体有聚集在一起的趋势,但在此之前还从来没有发现它们会在这么大的尺度上成群。

2015年初,另一个天文学家团队则发现了一个巨大的γ射线暴群。γ射线暴是发生在遥远星系中的短暂高能爆发现象。发生这些γ射线暴的星系看上去似乎形成一个直径达56亿光年的环形,占据了整个可观测宇宙的6%。天文学家们并没有想到会发现这么大的结构。它的大小是宇宙学原理成立尺度的5倍。

宇宙学原理是我们认识宇宙的根本基础,因此这些有违宇宙学原理的现象深深地让天文学家和宇宙学家感到不安,即使是这些现象的发现者也是如此。例如,对于由γ射线暴所组成的环形,有一种可能性是它们也许被其他星系所包围,但由于这些星系过暗而没有被看到。这就像在一个黑暗的房间中均匀地放置着灯泡,当你走进房间时,仅有几只被点亮了,那么你很可能会就灯泡的分布得出错误的结论。这并不一定会破坏宇宙学原理。

宇宙微波背景低温斑块

宇宙微波背景是大爆炸所遗留下来的辐射,保留着宇宙仅约40万年时的样子。它上面独特的印迹代表着婴儿宇宙时期温度稍高和稍低的区域。我们对宇宙这一时期的认识预言,这些温度起伏应该都很小,而且彼此之间也应该差不多大。然而,在2004年,使用威尔金森微波各向异性探测器,科学家宣布发现了有一个低温斑块要比其他的大得多。一开始他们认为,这可能是测量结果的误差。此后,欧洲空间局的普朗克卫星也观测到了这个低温斑块。对此,迫切地需要的一个解释。

超巨洞是最有希望的解释,不过它却是宇宙学原理捍卫者的眼中钉。有理论提出,在这个低温斑块的方向上存在一个超巨洞。为了抵达地球,宇宙微波背景辐射的光子必须要穿过这个超巨洞。由于宇宙在加速膨胀,当光子从这个超巨洞穿出时,它会发现这时其周围的物质密度比它刚进入这个超巨洞时还要低,其所经历的引力势就会减小,于是它们的能量也会减小。当利用光子的能量来计算一个源的温度时,这会使得我们错误地发现其原本所在的区域温度会比其他地方更低。

调和矛盾

巨大的类星体群也引发了激烈的争论。有天文学家认为,它并非是一个真正的结构。2013年发表的一篇论文对发现这一结构的算法和数据进行了分析,计算了随机分布的类星体也呈现出结构的概率。结果显示这个几率还是相当高的。不过,现在就下结论还太早。该类星体群的发现者认为,这一反对意见“保守且不现实”。他们认为,与模拟随机分布不同,所有的反对者应主要到一个事实,即这些类星体都拥挤在约3亿光年的尺度之内。

和类星体群一样,超巨洞也被认为可以与宇宙学原理相调和。宇宙学原理并没有说不允许任何地方出现涨落,而是说宇宙在大尺度上的平均意义下是均匀的。总之,发现类似超巨洞这样的结构其概率并非为零,但数量不会很多。

然而,也有理论物理学家认为,无视这些宇宙巨型结构的做法也许是错误的。事实上,在宇宙学原理依然成立的情况下,它们仍能存在。我们所要做的就是认为它们实际上并不存在。相反,它们其实是其他维度侵入我们宇宙的首批证据,是在我们均匀光滑的宇宙背景上留下了的痕迹。

这似乎是一个惊人的大胆​​建议,但它却是建立在坚实的理论基础上的。一方面,超越4维时空的额外维度并非是什么新鲜事。几十年来,许多理论物理学家们认为,额外维度的存在是我们调和爱因斯坦的广义相对论和20世纪物理学其他成就——量子理论——的最大希望。前者描绘的是大尺度上的现象,后者描述的则是微观世界,这两个看似完全不同的概念之间的联姻会催生出一个可以描述宇宙各个尺度的理论,它常被称为“终极理论”或“万物理论”。

一个热门的候选者是M理论,它是弦理论的一个扩展。M理论认为,我们生活在一个11维的宇宙中,其他的7个维度紧紧地蜷缩在一起而无法被观测到。这是一个优雅且在数学上吸引人的框架,有一批有影响的支持者。但它也有一个重大缺陷:缺乏可以用来检验的坚实预言。对弦理论的另一种推广,被称为膜理论,则也许可以做到这一点,并就此解决宇宙学原理的困境。

膜理论的核心思想是,我们所知的宇宙是一张漂浮在更高维时空中的4维膜,在这个更高维的时空中还存在其他的膜。这样的想法可以与现有的引力理论相一致。事实上,即使是有无穷多个额外维度,你仍然可以回到广义相对论。

虽然其他的膜也占据着额外维度,但它们无法被直接探测到。该理论认为,我们也许只能探测到当邻近的膜与我们所在的膜相交叠时所出现的效应。

类星体的概念图

类星体的概念图。版权:ESO/M. Kornmesser

宇宙间的重叠

那么,这又是如何有助于解决宇宙学原理的问题呢?为了测量遥远天体的距离,天文学家利用一种效应,被称为红移。使用分光计,天文学家可以分解天体所发出的光,揭示出其中的谱线。由于宇宙的膨胀,正在远离我们的任何天体所发出的光都会被拉长,其谱线就会向光谱的红端移动。越远的天体,其退行的速度就越快,其红移的量就越大。如果天文学家看到许多天体都具有相同的红移,会将此解释成某种形式的结构,就像γ射线暴环或者是巨类星体群。

除非,当有另一个膜与我们自己的相交叠时,观测这一交叠区可能会扭曲对红移的测量结果。此时,一个膜中的光子会对另一个膜中的带电粒子施加一个作用力。在这个交叠区域中,它会改变氢原子能级间的距离。当电子在这些能级之间跃迁时,它们会发射或吸收光子,产生我们用来测量距离的谱线。

如果膜的交叠使得能级间距缩小,所发射出的光子其波长就会变长,而这个红移量和宇宙的膨胀没有任何的关系。如果没有考虑这一点,假设所测量到红移完全是由宇宙学距离所导致的,那么就会系统性地高估膜交叠区域中天体的距离。

如果这个模型是正确的,那么膜交叠区域会出现有天体聚集在某一个红移值上,而在其他红移值上则没有天体。由此导致即使是均匀的宇宙看上去也会包含大质量结构和超巨洞的错觉。这一下子就解释了巨类星体群、γ射线暴环和超巨洞的起源,这些结构和潜在的膜交叠相符。

期待证据

当然,这绝非是一目了然的事情。为了达到最终的目标,这个理论中包含了许多的假设,其中一些可能有点太过理想。另外,此前也有人对膜理论中的一些假设提出了严厉的批评,其中不乏弦理论家。尽管如此,这个模型肯定是可以检验的。

通过观测天空中的高密度区和与之毗邻的低密度区,可以对这一理论进行检验。如果在所有情况下红移测量结果间的差异都是一样的,那么它很可能表明,我们的膜与另一个存在交叠。

斯隆数字巡天已经完成了有史以来最详细的宇宙三维图,有科学家正在计划研究其中的红移数据库,来寻找支持这一理论的证据。这将会是证明我们的宇宙并不唯一的重要证据,它不仅能解释天文观测中一些令人困惑的结果,还能为抽象的弦理论打下实验的基础。

不过,把宇宙中最大的这些结构化整为零的解释方法可能会在原地招来新的麻烦。例如,发现超出我们自身所在的膜会对人类自身在宇宙中本已脆弱的地位造成严重的挑战,并且使得宇宙均匀性的概念也变得没有意义。毕竟,在一个包含有相互作用膜的巨大多重宇宙中,宇宙学原理很有可能将不再成立。

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太阳系隐匿着第9颗行星? http://songshuhui.net/archives/96881 http://songshuhui.net/archives/96881#comments Sun, 26 Feb 2017 01:24:50 +0000 http://songshuhui.net/?p=96881 本文作者:Shea

Shea编译

随着近期在冥王星轨道之外存在一颗冰质巨行星的证据浮出水面,天文学家们正在使用各式各样的望远镜来追查它的下落。

可怜的冥王星。曾经被冠以“第9颗行星”,而现在距离其被逐出行星之列并降级为矮行星已经过了十年。这一切都始于2005年天文学家发现了阋神星,它目前也是一颗矮行星。那时,阋神星到太阳的距离比冥王星的更为遥远,因此被认为它的直径会更大。这直接导致了一场有关行星定义的激烈辩论——如果冥王星是行星,那么阋神星也必定要归为此类。因此,2006年8月冥王星从行星行列中除名,成为了新一类天体的旗手。

雪上加霜的是,现在看来行星俱乐部也许确有第9名成员,但它并非是冥王星。在太阳系遥远的边缘地带,那里天体之间的奇特相关性暗示有一颗隐匿行星的存在,它或许是真正的第9颗行星。

最早的线索出现在2012年,当时美国卡内基科学研究所的天文学家斯科特·谢泼德(Scott Sheppard)在太阳系外围发现了一个新天体,其正式的名称为2012 VP113,它的轨道比冥王星的要远得多。到2014年,经过长时间对其轨道的跟踪,谢泼德注意到它的轨道与太阳系中另一个遥远天体塞德娜的有着让人无法相信的相似性。它们抵达各自近日点的角度似乎是相同的。根据预期,这些低温天体的轨道应该是随机分布的,于是这一相关性令人生疑。一定有什么东西把它们驱赶到了这些类似的轨道上。

更重要的是,无论是什么在一开始把它们赶到了一起,它必定仍在这样做,否则这些天体的轨道会随着时间再次随机分布。谢泼德提出,唯一合理的解释是,还有另外一颗行星。这颗至今尚未被发现行星的引力正在看护着塞德娜和2012 VP113的轨道。为了做到这一点,它的质量必须要在地球的10~15倍之间,属于一颗迷你海王星。

太阳系外围多个小天体轨道

太阳系外围多个小天体轨道之间存在着奇特相关性——它们各自抵达近日点的角度似乎是相同的,这让天文学家怀疑存在着第9颗行星。版权:Caltech/R. Hurt (IPAC)。

但是,只有两个研究对象是很难得出具体结论的,天文学家需要更多的遥远天体。2016年初,有4颗海王星外天体加入到了这一行列中。那时,存在第9颗行星的消息开始成为世界各地的头条新闻。这些新加入的天体也有着与赛德娜和2012 VP113同样惊人相似的轨道。根据阋神星的发现者、有着“冥王星杀手”称号的天文学家迈克·布朗(Mike Brown)的分析,这些共同特征纯属巧合的概率只有0.007%。

这并非是天文学家第一次通过观测发生在其他天体身上的效应进而发现一颗新的行星。海王星就是这样于1846年被发现的。天文学家注意到天王星的轨道存在异常,并正确地认为这是由一颗更遥远行星的引力所造成的。当望远镜指向这第8颗行星预计所在的天区时,很快就发现了海王星。

然而,追踪第9颗行星却并不那么容易——要搜索的天区面积非常大,原因就在于该天体的轨道距离太阳极其遥远。据估计,它需要1~2万年才能绕太阳公转一周。它到太阳的平均距离被认为是地球的约700倍,或比冥王星还远约20倍。如果我们要看到它,阳光必须要先一路跋涉到那里,然后在沿路返回。由于光强会距离增加而衰减,第9颗行星看上去将会极其的暗弱。这同时还取决于其表面的成分,而它还很有可能是深黑色的。

如果天文学家能够确定其所在的大致区域,那将会是极有帮助的。在太阳系中,天文学家倾向于使用“天文单位”来度量距离,1个天文单位相当于地球到太阳的距离。具有一条大椭圆轨道,第9颗行星的近日点预计为200个天文单位,而其远日点距离则为这个数字的6倍。

幸运的是,研究工作已经开始缩小搜索范围。谢泼德说:“它现在必定在约500个天文单位之外。”这个数字是由环绕土星的卡西尼探测器的数据所得出的。已经环绕土星运转了10多年,如果第9颗行星目前正位于其近日点的话,科学家们应该会发现它对卡西尼探测器所施加的引力效应。这是整个拼图中一个非常宝贵的一块。

太阳系第9颗行星的艺术概念图

太阳系第9颗行星的艺术概念图,其右上方的白色椭圆形为海王星绕太阳的轨道。版权:Tomruen/nagualdesign。

对于天空中需要进行仔细排查的区域,根据“卡西尼”的数据可以排除掉某些天区,缩小搜索的范围,这可以提升找到这颗的行星几率。对于已经在围绕木星的朱诺探测任务,也将进行类似的测量。

假定它处于从500个天文单位到它的远日点之间,谢泼德认为发现它需要把当前的技术发挥到极限。然而,他有信心,我们会在“未来几年”中找到它。迈克·布朗正忙着使用夏威夷的昴星望远镜来搜寻第9颗行星。如果到下一个十年初这些搜寻仍未取得成功,那么目前正在智利建造的大口径全天巡视望远镜(LSST)很可能会改变这一切。有着一面8米多宽的主镜和一架32亿像素的照相机,它有能力会在其运转的一年之内发现第9颗行星。该望远镜所拍摄的一张照片就能覆盖相当于40个满月的天区。

发现它将并不仅仅意味着教科书要再次修改。它还会使得我们能够更好地认识太阳系的形成。目前最好的太阳系形成理论是尼斯模型,以提出它的天文学家所在的法国城市而得名。它的基本观点是,巨行星在最终安定到目前的轨道之前,它们会在太阳系早期运动迁移。问题是,当计算机模拟一开始只有4颗巨行星的情况时,它们并不能总是给出今天我们所看到的太阳系。

作为尝试,天文学家想知道,如果再添加一颗巨行星会发生什么情况。当他们进行有5颗巨行星的数值模拟时,结果往往能与今天的太阳系相符。唯一麻烦的是,迄今我们并没有在太阳系中看到第5颗巨行星。也许现在我们可以了。第9颗行星也许是一颗从内太阳系被抛射出去的巨行星的核心。所以,找到这一来自从太阳系动荡幼年期的遗存将会有助于加深对行星形成的认识。

正在智利建造的大口径全天巡视望远镜

正在智利建造的大口径全天巡视望远镜将使用一面视场达9.6平方度的特殊设计主镜。这使得它可以在3天内对整个可见的夜空扫视一遍,也让它成为了搜寻第9颗行星的利器。版权:LSST Corporation/NOAO。

不过,需要提醒的是,这绝非是天文学家第一次预言在太阳系中还有一颗新的行星存在,而这些预言随着时间最终都烟消云散了。为了解释水星轨道的异常,曾一度被认为在水星和太阳之间存在着一颗行星,被称为“祝融”。然而,此后爱因斯坦的理论正确地解释了这一现象,水星轨道中的异常是由太阳对其周围时空弯曲所致。

20世纪80年代,美国天文学家罗伯特·哈林顿(Robert Harrington)提出存在“X行星”,用以解释天王星和海王星的轨道特性。但是,当“旅行者”探测器飞掠这两颗行星对其质量进行了精确测量之后,引入“X行星”就完全不必要了。对于第9颗行星的搜寻其实恰恰说明,我们的太阳系还有很多东西有待探索,总有新的事物有待被发现。这个领域即将发生一场革命。例如,在过去几年中,天文学家在海王星和冥王星周围发现了新的卫星,另外新视野探测器也成功飞掠了冥王星。“新视野”会进一步深入柯伊伯带,在2019年1月抵达柯伊伯带天体2014 MU69。

随着盖在太阳系冰冷外缘上的帷幕逐渐被拉开,天文学家无疑会做出更多新的发现。兴许我们将有机会发现一颗新的行星,让行星的数目重回9颗。如果真的出现这一情况,那冥王星实在太“可怜”了。

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超大质量黑洞:星系的缔造者? http://songshuhui.net/archives/96802 http://songshuhui.net/archives/96802#comments Fri, 24 Feb 2017 00:21:42 +0000 http://songshuhui.net/?p=96802 本文作者:Shea

Shea/编译

很久很久以前,一团巨大的低温气体漂浮在空荡的宇宙之中,而其中有一片黑色的区域甚至比宇宙背景还要深邃。突然之间,一条纤细的物质喷流以超高速喷涌了出来。它直冲云端,压缩其中的物质,触发了恒星形成风暴。曾经沉睡的气体云现在则成为了一个星系。

难道这就是一个星系的诞生?许多天体物理学家深信这一点。星系的存在会影响宇宙的演化,这就把超大质量黑洞置于了整个过程的中心。超大质量黑洞驱动着类星体,它们会产生以极高的速度运动的物质喷流,正是这些喷流触发了星系的形成。

如果这个想法是正确的,它就将会颠覆已有的星系形成理论。它也会惊人地对改变我们自己的起源。如果没有超大质量黑洞产生的喷流催生出银河系,也许人类就不会出现在这个宇宙中。

不过天文学家们并不打算就此重写宇宙的历史。他们关注的是超大质量黑洞和星系之间的联系,这也是萦绕在星系形成上的一个关键问题。20世纪60年代中,当类星体首次被发现时,这个问题第一次浮出了水面。类星体都是非常明亮、致密的天体,可以释放出超过银河系100倍的辐射。如此惊人的能量输出却来自一个非常小的区域,这只能用位于星系核心的超大质量黑洞来解释。在黑洞的引力作用下,周围的气体和尘埃会作螺旋运动并且形成一个盘,同时它们还会被加热释放出巨量的辐射。

超大质量黑洞射出的喷流导致星系形成的概念图

超大质量黑洞射出的喷流导致星系形成的概念图。版权:ESO/L. Calçada。

当时,许多天文学家认为,只有类星体中才存在超大质量黑洞,而类星体在宇宙中又十分罕见,因此它们只不过是无关紧要的宇宙“异类”而已。然而,随着在绝大多数的星系中央都发现了超大质量黑洞,这一观点也发生了改变。在大多数星系(也包括我们的银河系)中,这些“中央引擎”由于缺少燃料一直处于休眠状态,因此都隐藏得很深。

不过,真正令天文学家们好奇的是,这些超大质量黑洞究竟能在何种程度上影响它们所处的星系。虽然名字唬人,但超大质量黑洞其实是非常“小”的天体。以银河系为例,由恒星和气体组成的银盘直径约15万光年,而居于其中心的超大质量黑洞却还没有水星绕太阳公转的轨道大。所以,你也许会认为它们不会对宿主星系造成大的影响。

超大质量黑洞的概念图

超大质量黑洞的概念图。中央的超大质量黑洞被一个吸积盘(黄色)所围绕,外部则是尘埃环面(蓝色),两道喷流则从中心区域向外喷射而出。版权:ESA/NASA/the AVO project/Paolo Padovani。

裸类星体

然而,距离较近的星系似乎都遵循着一个优雅但却原因不明的关系:星系中央核球里恒星的总质量是超大质量黑洞的约700倍。这一星系和超大质量黑洞间的关系表明,其中一个的生长影响着另一个。两者间相关连的进一步证据则是,恒星形成和类星体活动在80~100亿年前同时达到了高峰。

那么,这么小的天体为何能影响整个星系呢?其关键就是超大质量黑洞射出的两道反向物质喷流。在最初的几个光年里,喷流中的物质会以接近光速的速度运动,这使得它们可以冲破四周星系物质的包围运动到数百万光年远的星系际空间中去。

类星体HE0450-2958为此提供了一个绝佳的范例。HE0450-2958距离地球50亿光年,是唯一已知的“裸类星体”——一个周围没有星系的超大质量黑洞。

一些天文学家怀疑,HE0450-2958附近其实有一个星系,但是被大量的灰尘遮挡住了。尘埃会在红外波段上发光,于是天文学家就使用欧洲南方天文台甚大望远镜上的红外设备对其进行了观测,结果有了惊人的发现。

他们发现这个类星体的喷流就像一把激光剑,扎入了距离其23,000光年远的一个星系中。这个星系富含明亮的年轻恒星,其中的恒星形成速率相当于每年350个太阳,这个数字高出了预期100多倍。天文学家猜想,如此疯狂的恒星形成率绝非偶然,这表明类星体的喷流实际上催生出了这个星系。

这直接颠覆了标准星系形成理论,传统上都认为星系先形成,然后是超大质量黑洞。但HE0450-2958告诉我们的却正好相反,超大质量黑洞触发了星系的形成。

对于HE0450-2958,它始于一个超大质量黑洞,后者会从星系际空间吸来气体,成为一个类星体。由此它一直在长大,直到大约2亿年前喷流出现。其中的一道喷流击中了23,000光年远的一团气体云,由此引发的激波传遍了整个星云。这也导致了恒星形成过程,产生了今天我们所看到的星系。

近距类星体HE0450-2958的颜色合成图像

近距类星体HE0450-2958的颜色合成图像,它是唯一一个没有探测到宿主星系迹象的类星体。版权:ESO。

这一想法肯定会招来争议。因此在公布之前,天文学家必须要确保类星体及其喷流所指星系间的相关性不存在其他解释。起先,他们认为HE0450-2958是被从这个星系中抛射出来的。因为数值模拟显示,当两个星系合并时,它们的中央黑洞会相互作用,并把其中一个甩入星系际空间。

然而,当真如此的话,HE0450-2958被甩出来的方向却正好和它的一道喷流的方向重合,这实在是一个奇怪的巧合。更重要的是,要从一个质量和银河系相当的星系中逃逸出来并不是一件容易的事情,它要求你的速度必须达到大约每秒500千米以上。对这一系统的观测并没有发现在过去数亿年中存在星系并合的证据,而HE0450-2958的速度也只有大约每秒200千米,根本不足以摆脱这个星系。

事实上,这个类星体的低速意味着,随着时间的推移,它会慢慢地掉入这个由它缔造的星系。与超大质量黑洞在成形后的星系中心形成、生长不同,在这个系统中,一个超大质量黑洞从外部创造了一个星系,然后再跑到星系的中心。

这无疑是具有轰动性的。不过,目前只找到了一个这样的例子。大质量星系的形成和类星体活动都出现在宇宙的早期,因此如果能在早期宇宙中看到其他类似HE0450-2958这样的系统那将会是非常有意义和说服力的。

这也正是天文学家们目前正在进行中的。这个理论的优点就在于它并不依赖于寻找更多类似HE0450-2958这样的裸类星体。超大质量黑洞的喷流有足够的能量来把气体云转变成星系,无论它们是裸类星体还是深藏于某个星系的中心。

有宿主星系的类星体HE1239-2426和无宿主星系的类星体HE0450-2958之间的比较

有宿主星系的类星体HE1239-2426(右)和无宿主星系的类星体HE0450-2958(左)之间的比较。版权:NASA/ESA/ESO/Frédéric Courbin/Pierre Magain。

甚至有可能一个类星体可以引发多个星系的形成。当某些类星体中有两个尚未完全并合的超大质量黑洞时,它们的喷流会像灯塔一样扫过不同的方向。喷流所到之处就会唤醒那里的气体。这也解释了为什么正常星系往往都聚集在类星体的周围。

不过有的天文学家的观点正好相反,他们认为这一成团现象正好说明了是星系产下了类星体并把它抛射了出去。

一种更有趣的可能性是,星系形成甚至可能都不需要有“沉睡”的气体云的存在。这是因为喷流每年可以喷射出多达1亿个太阳质量的物质,而这一状态又可以维持大约几亿年。这意味着,在它们一生中,有可能会喷射出足够建造一个大型星系所需的原材料。

寻找星云

那么如何才能证明是类星体诱发了星系的形成呢?其关键是寻找一个比HE0450-2958处于更早演化阶段的类星体及其附近的星系,尤其是与低温分子气体云相邻的类星体,因为恒星正是从分子云中形成的。

事实上,已经观测到了一些这样的系统。天文学家一直在为发现了和一氧化碳云相邻的类星体而困惑。但在这个理论下,它不但没有任何问题,还具有重要的意义。

进一步地,天文观测还证明超大质量黑洞在宇宙的早期就已达到它的最大质量。这表明,在星系形成前超大质量黑洞就已长成并统治着宇宙——正好和目前流行的观点的相反。

当然,如果超大质量黑洞先形成,然后催生出了星系,那么超大质量黑洞又是从何而来的?这是目前缺少的一环。

钱德拉X射线天文台拍摄的银河系中心区及其中央黑洞Sgr A*

钱德拉X射线天文台拍摄的银河系中心区及其中央黑洞Sgr A*。版权:NASA/CXC/MIT/F.K. Baganoff等人。

虽然没有人确切知道,但还是有了一些想法。对类星体的观测显示,质量为太阳1千亿倍的超大质量黑洞可以在宇宙大爆炸之后10亿年内形成。多年来,天文学家都对此不知所措,不清楚这些庞然大物是怎样如此神速地成长的。

一种观点是,它们形成于小得多的、由恒星演化到末期坍缩而成的黑洞。在一个密度极高的星团中,几个这样的恒星质量黑洞可以并合成一个大黑洞,并且通过吸积物质继续生长。但对这一观点的批评指出,恒星质量黑洞根本就无法在宇宙大爆炸后的10亿年内并合形成超大质量黑洞。

另一个方法则是形成一颗超大质量的恒星。如果这样的一颗恒星一旦形成,它就会由于其核心的核聚变根本不足以产生足够多的热量来支撑其庞大的身躯而立即坍缩成一个超大质量黑洞。

根据计算,超大质量黑洞的种子会形成于超大质量恒星的内部,然后再以高速成长。最终,恒星的外层会爆炸暴露出隐藏在其中的黑洞。为了验证这一想法,需要使用下一代的望远镜。

著名英国天文学家霍伊尔曾经证明,我们都来自星尘。但也许要不了多久就要补上一句,我们也都来自黑洞。

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土星环中的奇怪“螺旋桨” http://songshuhui.net/archives/96784 http://songshuhui.net/archives/96784#comments Wed, 01 Feb 2017 04:28:13 +0000 http://songshuhui.net/?p=96784 本文作者:Shea

Shea/编译

卡西尼土星探测器正在揭示出土星光环的微小细节,它们将为我们打开一扇通往太阳系最早期的大门。

十几年来,卡西尼土星探测器一直徜徉在土星及其壮观的光环中。与之前奔赴太阳系边界仅瞥一眼土星的探测器不同,“卡西尼”年复一年地向地球发回了大量包含有惊人细节的图像。

这些图像揭开了许多有关土星、土星卫星和土星光环的谜题。不仅如此,这些详细的观测还为太阳系的形成提供了重要的线索。

土星的光环系统是目前我们所拥有的最接近45.5亿年前诞生地球和其他行星的尘埃、碎石盘的东西。这个原行星盘成形于一团由超低温气体和尘埃组成的星云在自身引力作用下的坍缩。随着这个转动的星云逐渐收缩,它就形成了一个围绕新生太阳的盘。一旦太阳吹散了这些气体,盘中作轨道运动的碎石就和土星的光环系统极为相似。

土星光环

卡西尼土星探测器所拍摄到的土星光环。版权:NASA/JPL/Space Science Institute

从那时起,较大的天体就会开始从碎石中聚集起来。它们会逐渐生长,清空它们周围的物质,它们的引力也会触及到更远的范围。在生长天体间的竞争会导致同类相残。形成一颗行星可能需要100 000年的时间和极为复杂的过程,但我们对此只有极少的观测证据。行星形成理论远没有达到成熟的地步。

这正是土星光环有用武之地的地方。我们在光环中所看到的极其复杂的结构和难以置信的变化,告诉了我们许多有关行星形成的信息。其中最引人注目的是类似飞机螺旋桨形状的结构。当看不见的土星卫星穿行于围绕土星转动的冰质碎块时,就会产生这些痕迹。在土星宽14 000千米、厚仅10米的A环中已经发现了几十个“螺旋桨”。

这些卫星本身太小了,直径只有几百米到几千米,因此即便是“卡西尼”也无法直接看到它们。相比之下,它们产生的螺旋桨形痕迹则可以达到数千千米长,其中一些已经被观测到达数年之久。它们的形成是由于卫星的引力拖拽周围的物质所造成的。位于卫星轨道内部的物质,因为更靠近土星,所以运动得较快,于是这一扰动迅速地压制了卫星的影响,在其前方形成了一条长而窄的痕迹。这就是“螺旋桨”中的前导桨叶。与此同时,处于卫星轨道之外的物质运动得较慢,就形成了尾随桨叶。类似螺旋桨的结构是行星形成过程中会率先出现的结构。

土星光环中的螺旋桨形结构

卡西尼土星探测器所拍摄到的土星光环中的螺旋桨形结构。版权:NASA/JPL/Space Science Institute

土星较大的卫星则代表了行星演化的下一个阶段。这些生长中的卫星具有充分的引力来扫除物质,在光环之间开凿出缝隙。生长中的行星也是如此。随着它们在原行星盘中逐渐长大,它们的影响也会增大。今天我们可以确切地看到这一过程的再现。土星的卫星土卫一直径400千米,是一颗大小适中的卫星。它不仅扫除了位于其轨道上的碎块,还清理掉了与之发生“共振”的轨道上的物质。例如,位于与土卫一呈2:1共振处的粒子,在这条轨道上的粒子每绕土星公转一圈的时间正好等于土卫一公转周期的2倍。它们会周期性地受到土卫一的拉扯。

虽然每一次的引力拉扯算不上什么,但经过长时间之后它们就会累积并把这些颗粒拽出它们的轨道留下一条缝隙。土卫一的引力雕琢出了土星光环中最为显著的、宽4 700千米的卡西尼环缝的内边界。

在更远的F环中,“卡西尼”发现,土星的卫星土卫十六正在光环物质中搅起波澜。这是因为它会吸引位于其轨道之内的物质,但当物质到达土卫十六的位置时,它已经疾驰而过了。这会产生深远的影响,原因是波会挤压物质并使得它更像一个固态的物体。天文学家们所看见的是一个掠过的卫星正在触发一个物体的形成,该物体的引力尚不足以使得它自发形成。如果同样的过程发生在原行星盘中,像木星胚胎这样生长中的天体就会触发其他行星的形成,否则它们就不会存在了。

这并不是岩质盘可以影响行星形成的唯一途径。令“卡西尼”项目科学家感到吃惊的是,螺旋桨结构的轨道在不断地变化。多年来,科学家们跟踪了较大的“螺旋桨”,发现它们有时候会往里运动、有时候又会往外运动。

土星光环中的螺旋桨形结构放大图

卡西尼土星探测器所拍摄到的土星光环中的螺旋桨形结构放大图。版权:NASA/JPL/Space Science Institute

早期的年代

也许一些埋藏在其中的卫星吸积了周围的物质并且被向外推出。其他一些则可能在和光环物质的相互作用中损失了能量,落向了更靠近土星的地方。这同时也帮助解释了位于其他行星系统中被称为热类木星的气态巨行星的存在,它们在极为靠近其宿主恒星的轨道上公转。由于恒星附近的气体温度过高无法被引力聚集起来,这些气态巨行星被认为是在距离它们宿主恒星更远得多的地方形成、然后向内迁移到目前的位置的。这可能就是天文学家们正在土星光环中所看到的。

土星光环和小卫星为完善我们对这些细致物理过程的认识提供了一个十分干净的天然实验室。不过,它们永远也不会告诉我们故事的全部。虽然我们可以看到和行星形成早期阶段的相似性,但我们无法看到后期。这是因为土星光环中的冰质碎片无法通过和原行星盘中形成行星相同的过程聚集成卫星。土星光环到土星的距离比水星到太阳的小了超过300倍,如此近的距离意味着土星的引力会撕碎任何孕育中的大型卫星。

在土星的光环中,破坏的力量总是会占得上风。不过这不会阻止我们赞叹“卡西尼”所发回的漂亮图像以及它们想告诉我们的一切。

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是谁吞噬了银心的恒星? http://songshuhui.net/archives/91068 http://songshuhui.net/archives/91068#comments Thu, 04 Dec 2014 06:23:07 +0000 http://songshuhui.net/?p=91068 本文作者:Shea

Marcus Chown 文 Shea 编译

银河系的中心要比我们预想的更加黑暗——这并不仅仅因为那里是一个超大质量黑洞的家。

在距离我们超过25,000光年之外有一个近距宇宙中最神秘的地方。它是我们银河系被尘埃所遮蔽的中心,那里挤满了横冲直撞的恒星。在银河系的最中央,天文学家怀疑潜伏着一个质量超过太阳400万倍的巨型黑洞。被称为人马座A*的这个超大质量黑洞因其对时空结构的扭曲正在撕裂恒星,引发一场恒星骚乱。

类似的超大质量黑洞被认为存在于每一个星系的中心。通过观测恒星围绕它的转动,直到最近我们才确认了它的存在。它为我们在最极端环境下检验爱因斯坦的广义相对论提供了理想的场所。

虽然我们银河系的中心可以作为研究其他星系中所发生过程的实验室,但对它的首批观测还是给我们带来了许多意想不到的事情。最近的观测显示,银河系的中心还存在着第二个“洞”——一个只包含一些年轻恒星而没有年老恒星的神秘空白区。

之前对银心的观测发现了几十颗年轻的恒星,它们所发出的明亮蓝色辐射强得足以冲破笼罩它们的尘埃。天文学家认为它们只是更多恒星的冰山一角,大量更年老恒星所发出的微弱光线被年轻恒星的所掩盖了。

然而,当三个天文学家小组独立地把他们手中能够穿透银心周围尘埃的红外望远镜对准那里的时候,这一切都改变了。当他们扫视银河系的时候,他们看到了数千颗年老的恒星。但是,当他们观测非常靠近银心的地方时,恒星的数量便出现了锐减,并且发现了一个直径3光年的区域,其中的恒星极为匮乏。

[图片说明]:钱德拉X射线天文台拍摄的银心区域,人马座A*就位于图中央的白色光斑中。版权:NASA/CXC/UMass/D. Wang等人。

这个“洞”的故事

这是一个极大的意外,因为它违背了我们对于在银心处该发生什么的设想。人马座A*周围的引力场被认为强到足以能束缚住它附近的恒星超过数十亿年。那为什么在银心处却没有较为年老的恒星呢?

最简单而直接的解释是,即使是最新的红外望远镜也还没有灵敏到能检测出这些微弱的光线。但还有一个更令人兴奋的可能性,那就是银心周围其实被许多难以看到的致密天体所占据,例如超新星爆炸后留下的中子星和恒星质量黑洞——它们几乎不发出辐射。如果这种说法是正确的,它表明在银心形成的绝大部分恒星都是能以超新星的形式结束自己生命的大质量恒星。这将使该区域与我们所观测到的所有其他地方都截然不同。

但是,这个解释也存在问题。其中主要的一个是,这些大质量恒星不会独自形成、长大,少量小质量恒星也应该在那里形成。在这些小质量恒星生命的尽头,它们会演化成应该很容易就能被看到的红巨星。那么,为什么我们还没有看到它们呢?一种可能是,恒星质量黑洞吃掉了所有这些红巨星。但这其实很难奏效,因为它所需要的黑洞质量比银心最内部已知存在的100万个太阳质量还要高。

一个更奇特的解释是,在过去的某个时间,银河系与另一个星系发生了并合,外来的超大质量黑洞吞噬了一些银河系的恒星。此外人马座A*本身也可以造成其周围恒星的缺失。任何进入超大质量黑洞周围约5光分(相当于9,000万千米)距离内的恒星都会被撕裂,由此可能会导致恒星的消失。

[图片说明]:对银心附近恒星的观测。实心圆圈为观测到的恒星位置,虚线是由观测结果推算出的轨道。可以看到迄今只有S2完成了绕银心转动一周的运动。版权:Keck/UCLA Galactic Center Group。

盯上这个“洞”

用人马座A*来解释依然存在破绽,于是有人提出一个稍有不同的方案。经计算发现,围绕人马座A*的恒星轨道随着时间会变得越来越长、越来越扁。最终,这些恒星会由于过于靠近中央黑洞而被吞噬。不过,这个理论也有问题。由于恒星在不断形成,为了创建一个无星区,你不但要把恒星送入超大质量黑洞的口中,还要阻止其他恒星进入这一区域。但是,很难想出有什么办法能阻挡恒星进入银心。

因此,尽管已经有了很多的想法,但这个谜依旧。目前的天文观测结果也不足以真正地确定这些解释中哪一个最有可能,或者完全排除掉某一个。现在只能假设,那里有个“洞”,但我们不知晓确切的原因。为了找到答案,我们将不得不更靠近银河系中心的这个怪物。

幸运的是,许多技术正在使天文学家能做到这一点。这些技术同时还可以帮助我们实现一个更深刻的愿望——对爱因斯坦的广义相对论进行检验。广义相对论在行星、恒星和星系附近的影响已经被探测过,每一次它都以优异的成绩通过了测试。至今广义相对论还没有被检验过的地方就是黑洞的极端引力场,那里的空间和时间都遭到了极强的扭曲。通过观测物质究竟是如何落入黑洞的,天文学家希望能判断黑洞是否真的如广义相对论所描绘的那样。

到目前为止最有前景的技术是甚长基线干涉测量(VLBI),它综合了世界各地射电望远镜所接收到的信号来模拟出一个犹如地球一样大的无线。这个虚拟天线可以分辨出天体的微小细节,但即便如此它还没有强大到能识别出这个超大质量黑洞最显著的特征:它的视界。视界是下落的物质一去不复返的地方,它直径约1,500万千米,相当于地球到太阳的距离的十分之一——这在天文上根本微不足道。即使是迄今最好的人马座A*的图像,仍然模糊了3倍。

[图片说明]:根据黑洞无毛定理,用质量、自转和电量即可描述一个黑洞的所有特性。不过在现实宇宙中,黑洞很容易就能通过吸积异性电荷来呈电中性,因此这三个量中就只剩下了质量和自转。版权:NASA。

不过,有一个办法可以提高VLBI的分辨率,那就是观测比现今所用厘米波波长更短的波段。通过在1.3毫米甚至0.87毫米的波长上来观测,这项技术应该最终能够看到视界附近正在发生的事情。

即便如此,事情也不会这么很容易。我们试图观测的射电波是由盘旋着掉入超大质量黑洞的电离气体所发射出的。为了在这个黑洞附近检验广义相对论,我们不得不首先要用计算机来模拟螺旋运动的气体,预测它的射电辐射,并与观测结果相比较。VLBI是一种很有前途的技术,但它不可能给我们提供一个干净的信号。这是它恼人的地方。

其他天文学家则发现了一条更干净地探测人马座A*的途径:观测围绕它公转的单颗恒星。他们已经观测了距离银心100光天范围内20颗极为明亮的恒星的轨道。

在这其中有一颗恒星极为突出,它被称为S2,质量达太阳的20倍。S2是唯一一颗已经被观测到围绕银心公转一周的恒星,完成这一旅程它花了15年的时间。由此,天文学家计算出银河系中央超大质量黑洞的质量是太阳的430万倍,略高于原先的估计。

请不要忘记,直至现在这仍是银河系中心存在一个超大质量黑洞的唯一间接证据。由于它的引力影响着附近恒星的运动,因此我们知道那里有某个大质量天体,而最有可能是一个黑洞。但我们同样也需要直接的证据来确定。现在的希望是,像S2这样的恒星不仅将为此提供证据,而且还能让我们来检验最受我们青睐的黑洞理论。

其中之一就是黑洞无毛定理。它认为黑洞其实非常简单,用它的质量以及自转的速度就足以对其进行充分地描述。有理论物理学家建议,通过研究银心超大质量黑洞附近恒星的轨道,就可以来检验这个定理,进而验证广义相对论。一个方法是观测一颗恒星围绕银心公转许多圈。爱因斯坦的理论预言,这颗恒星轨道中最靠近银心的那一点会随着时间逐渐变化。如果无毛定理正确,那么这个“进动”的速率就只取决于黑洞的质量和自转速度,而和其他的无关。如果能追踪两颗恒星的轨道那就更妙了。这样就你可以使用这两颗恒星的轨道关系来消掉黑洞的质量,由此进动将只依赖于黑洞的自转。如果事实证明进动其实依赖更复杂的东西,那么无毛定理就将被证明是错误的。如果真是这样的话,那么广义相对论也将同样被证明是错误的。因此,其科学回报是很高的。

[图片说明]:欧洲南方天文台4架甚大望远镜组成的干涉仪将综合来自4架望远镜的光线,追踪物质掉入黑洞前的最后一刻。版权:G. Hüdepohl (atacamaphoto.com)/ESO。

另一种检验相对论的方法是使用脉冲星。这些超新星爆炸遗留下的超高密度天体会以极高的速度自转,每转一圈其犹如灯塔一般的射电波束就会扫过天空。这使得它们成为了极其精准的守时工具。如果在银心处存在脉冲星,那么我们也许能够检验另一个相对论效应——引力时间膨胀,即在大质量天体周围的弯曲时空中时间流逝得较慢。探测到这个效应,我们就有了存在一个超大质量黑洞的证据。

新的目标

不幸的是,脉冲星本身极为暗弱,这使它们难以在多尘的银心处被发现。但天文学家正开始尝试探测银河系中所有的脉冲星,很有希望会在银心找到它们。

广义相对论目前还没有受到威胁。到目前为止,S2是唯一一颗轨道在人马座A*附近1光天之内的恒星。要真正探测这个超大质量黑洞周围的时空,我们还需要观测更多靠近银心的恒星。

为此天文学家目前正在升级由夏威夷两架10米凯克望远镜所组成的红外干涉仪。与此同时,他们还正在建造一台仪器,它能够综合来自欧洲南方天文台四架甚大望远镜所收集的近红外辐射,进而以前所未有的分辨率测量这些暗弱的天体。他们希望由此能观测到位于几倍于超大质量黑洞视界直径范围内运动的恒星。这台仪器预计会在2013年投入使用。

数十亿年来在银河系的中央一直隐藏着它最深的秘密。不过,也许要不了几年我们最终就能直击这个超大质量的黑洞。

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