色即是空,空即是色。在這看似空虛,卻又充滿了物質(zhì)的宇宙,天文學(xué)家若沒(méi)有點(diǎn)慧根,又怎么看透宇宙的“色”。
天文學(xué)是一門(mén)非常古老的學(xué)科。很早以前,航海的水手就利用天上的星座作為方向的定位,哲學(xué)家也對(duì)星座及恒星的運(yùn)行做了許多解釋。無(wú)論他們的解釋是否正確,至少天文學(xué)已經(jīng)不再只是一門(mén)實(shí)用的知識(shí),人們已經(jīng)開(kāi)始對(duì)其本質(zhì)進(jìn)行探討,以滿足人類(lèi)探索未知的欲望。現(xiàn)今利用望遠(yuǎn)鏡對(duì)天空做更仔細(xì)的觀測(cè),是研究天文學(xué)不可或缺的工作。光靠空想冥思,對(duì)天文學(xué)的發(fā)展及對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)并沒(méi)有太大的幫助;反過(guò)來(lái)說(shuō),只有一堆觀測(cè)的數(shù)據(jù),或者只是熟記天上星座的位置,也不能滿足人類(lèi)求知的欲望。
多波段觀測(cè)
早期天文觀測(cè)的工具是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡,它能將夜空中微弱的星光放大、加強(qiáng),然后用底片記錄星光的強(qiáng)度和位置,再經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)期觀測(cè),研究它們的運(yùn)動(dòng)情形。但是天文學(xué)家還想知道這些星星到底是什么?它們?nèi)绾涡纬桑咳绾伟l(fā)光?成分有哪些?因此額外的觀測(cè)儀器是必需的。
光譜儀,是一種分析光線的儀器,可以知道光是由哪幾條單色光混合而成的。光譜就像人類(lèi)的指紋,每個(gè)元素都有唯一的譜線,天文學(xué)家就是利用分析星光的譜線,來(lái)推斷該星球的物理特性。
到了現(xiàn)代,天文學(xué)家已經(jīng)利用許多工具來(lái)觀測(cè)夜空。例如電荷耦合元件(CCD)取代了傳統(tǒng)的照相技術(shù)。它是一種電子裝置,可以記錄微量的光子。另外,CCD可以數(shù)位化處理資料,這對(duì)現(xiàn)代天文學(xué)家是非常重要的。
星光大部分的能量落在可見(jiàn)光區(qū)域,但在宇宙的各個(gè)角落也會(huì)有各種物理現(xiàn)象,產(chǎn)生各種波長(zhǎng)的光子?,F(xiàn)在讓我們用一些有色的眼光來(lái)看看宇宙不為人知的一面。
無(wú)線電望遠(yuǎn)鏡
無(wú)線電望遠(yuǎn)鏡有很多形式,有固定式的,直徑最大可達(dá)300米,籠罩整個(gè)山谷;也可以是多面可移動(dòng)式的,如VLA,這種無(wú)線電望遠(yuǎn)鏡又稱(chēng)干涉儀。當(dāng)相對(duì)論性電子(運(yùn)動(dòng)速度接近光速)遇到星際磁場(chǎng)時(shí),它會(huì)繞著磁力線做螺旋狀運(yùn)動(dòng),這種加速運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生同步輻射。在銀河盤(pán)面上天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了很強(qiáng)的同步輻射,這也許表示了有磁力線分布在銀河盤(pán)面上。我們還可以看到有些回圈和絲狀結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離盤(pán)面,另外在高緯度區(qū)域有一些單一的無(wú)線電源。假如將這些無(wú)線電源標(biāo)出來(lái),可以發(fā)現(xiàn)它們是均勻地分布在宇宙中的,都是長(zhǎng)波的背景輻射。
此外,在無(wú)線電波段可以看到的特殊景象是宇宙噴射流,這也和同步輻射有關(guān)。
遠(yuǎn) 紅 外 線
星球的形成一直是天文學(xué)家想要解決的謎題之一。粗略地說(shuō),星球是由一團(tuán)氣體經(jīng)過(guò)重力收縮形成,剛開(kāi)始會(huì)形成一個(gè)小核心,然后核心四周的氣體會(huì)不斷被吸進(jìn)去,增加核心的質(zhì)量,于是核心逐漸長(zhǎng)大;當(dāng)核心質(zhì)量大到核心溫度足以產(chǎn)生熱核反應(yīng)時(shí),星球才算孕育成功,進(jìn)入成年階段——主序帶。在星球的孕育過(guò)程中,由于四周仍然布滿了氣體和塵埃,中心發(fā)出來(lái)的可見(jiàn)光無(wú)法穿透出來(lái),只有遠(yuǎn)紅外線可以被我們觀測(cè)到。
美國(guó)NASA于1983年7月26日用Delta火箭在范登堡空軍基地發(fā)射了一枚人造衛(wèi)星(IRAS),它的可觀測(cè)波段從8微米~179微米。經(jīng)過(guò)一年的觀測(cè),IRAS探測(cè)到25萬(wàn)個(gè)紅外線源和一些不知名的低溫星體,還發(fā)現(xiàn)一個(gè)分布在太陽(yáng)系外圍的星塵環(huán)和在織女座附近正在形成的恒星系統(tǒng)。
遠(yuǎn)紅外線的資料說(shuō)明了什么?天文學(xué)家認(rèn)為,當(dāng)星塵加熱后,釋放出來(lái)的黑體輻射就是一些紅外線。在初生星球四周有大量的塵埃,這些塵埃經(jīng)過(guò)星光的照射會(huì)放出紅外線,所以紅外線是研究初生星球的工具。
極 紫 外 線
美國(guó)加州伯克利分校的包爾和NASA合作,自行設(shè)計(jì)了極紫外線望遠(yuǎn)鏡和偵測(cè)器,稱(chēng)作極紫外線探測(cè)船(EUVE)。
EUVE也是用Delta火箭于1992年6月7日從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角發(fā)射升空的,總共包含四個(gè)直徑40厘米的紫外線望遠(yuǎn)鏡。
我們知道,極紫外線的波長(zhǎng)比可見(jiàn)光短,物體需要很高的溫度才能發(fā)出紫外線。但是19世紀(jì)六七十年代的天文學(xué)家相信,極紫外線會(huì)被星際物質(zhì)完全吸收,除了太陽(yáng)以外,所有星體釋放的極紫外線是無(wú)法到達(dá)地球的。根據(jù)包爾的初步研究,應(yīng)該有一些極紫外線可以到達(dá)地球。在EUVE升空之后,果然看到一些極紫外線源。這些極紫外線源來(lái)自星球的星冕和閃焰及一些年輕巨大的星球和白矮星。至于一些彌散的背景極紫外線,可能是來(lái)自高溫的星際物質(zhì)。
與太陽(yáng)類(lèi)似,在星球的光球?qū)雍托敲嶂g溫度會(huì)突然上升。這個(gè)高溫的過(guò)渡層會(huì)放出極紫外線,另外星球表面突然噴發(fā)的高能閃焰也會(huì)伴隨著極紫外線,因此研究這些星球的極紫外線可以增進(jìn)我們對(duì)星球表面大氣特性的認(rèn)識(shí)。至于白矮星的極紫外線,則來(lái)自表面的氫或氦。不過(guò),經(jīng)過(guò)EUVE的觀測(cè),發(fā)現(xiàn)白矮星的極紫外線沒(méi)有預(yù)期的多,這對(duì)白矮星的模型是個(gè)重大的挑戰(zhàn)。另外,極紫外線對(duì)我們太陽(yáng)系內(nèi)行星的研究也有幫助。
X 射 線
接下來(lái)要介紹可以探測(cè)X射線的人造衛(wèi)星HEAO,這項(xiàng)計(jì)劃由馬修太空飛行中心推動(dòng),一共發(fā)射了三枚:HEAO-1、HEAO-2和HEAO-3。HEAO-l是用“阿特拉斯人馬座”火箭于1977年8月12日從卡納維拉爾角發(fā)射升空,其他兩枚分別在1978年和1979年在同一地點(diǎn)發(fā)射成功。
X射線是高能的輻射線,所含的能量大約是可見(jiàn)光的數(shù)百倍到十萬(wàn)倍,必須用一些特殊的探測(cè)器來(lái)記錄。利用氣體的探測(cè)器將是理想的設(shè)計(jì),當(dāng)高能的X射線通過(guò)裝滿氣體的放電管時(shí),X射線會(huì)使氣體分解成電子和離子對(duì),也就是光離作用,而帶電的電子或離子因?yàn)楦唠妷旱奈?,打到放電管的兩端,從而被記錄下?lái)。
同樣的問(wèn)題,X射線能讓我們知道些什么?根據(jù)HEAO得到的全天資料,我們可以看到一些單獨(dú)的X射線源,最強(qiáng)的大都分布在銀河盤(pán)面上和銀河中心。不過(guò)整體來(lái)看,還是有一些背景的X射線存在,這部分的來(lái)源尚不清楚。其他X射線源可能來(lái)自一些致密的星體,例如X射線雙星系統(tǒng)。一般我們看到的X射線雙星系統(tǒng)會(huì)不斷地放出X射線信號(hào),一閃一閃的,就像波霎一樣。這些都是銀河盤(pán)面上所看到的X射線源。
在外銀河系部分,活躍的星系核也會(huì)放出X射線,也可能會(huì)產(chǎn)生X射線的背景輻射。另外在初生星球形成區(qū)和一些星系中也會(huì)有X射線產(chǎn)生。
伽 馬 射 線
伽馬射線是一些能量更高的光子,波長(zhǎng)小于10厘米,能量大于100kev。1991年4月5日,“亞特蘭蒂斯”號(hào)從佛羅里達(dá)州肯尼迪太空中心起飛,攜帶了一枚16噸重的康普頓伽馬射線觀測(cè)站(CGRO),準(zhǔn)備放在地球上空的軌道上。其中的一個(gè)儀器稱(chēng)作“白鷺”(Egret),專(zhuān)門(mén)收集最高能的伽馬射線,能量可達(dá)107kev。CGRO的另外三個(gè)儀器分別是用來(lái)測(cè)量伽馬射線暴的BATSE、低能量伽馬射線的OSSE和中等能量的COMPTEL。
伽馬射線的來(lái)源有波霎、超新星爆炸和活躍星系核,另外當(dāng)電子和正電子碰在一起時(shí)也會(huì)放出511kev的低能伽馬射線,這些都是值得研究的課題。伽馬射線暴是無(wú)預(yù)警且散亂的伽馬射線突發(fā)事件,在伽馬射線暴之后,很難找到與之對(duì)應(yīng)的星體,這是研究中最困難的地方。有些人認(rèn)為伽馬射線暴是中子星地震產(chǎn)生的,也有人認(rèn)為是中子星對(duì)撞造成的,相信更多的觀測(cè)資料將有助于人類(lèi)對(duì)伽馬射線暴的了解。
有色的宇宙
人類(lèi)的認(rèn)識(shí)已經(jīng)從“地球?yàn)橛钪嬷行摹卑l(fā)展到“太陽(yáng)為宇宙中心”,一直進(jìn)步到承認(rèn),人類(lèi)不再是宇宙中唯一的文明。我們可以發(fā)現(xiàn),天文學(xué)越進(jìn)步,對(duì)宇宙了解的越多,越覺(jué)得人類(lèi)的渺小。以人類(lèi)現(xiàn)有的科技無(wú)法直接飛到想要研究的星體做直接的測(cè)量,因此我們只好不斷地?cái)U(kuò)展眼界,張大我們的眼睛仔細(xì)尋找宇宙遺留的痕跡,努力將宇宙各個(gè)角落發(fā)生的事件,串連成合理的故事。
現(xiàn)代的天文學(xué)已發(fā)展成一門(mén)龐大的科學(xué),它結(jié)合了物理、化學(xué)、航天、電機(jī)和電子,其范圍之廣不下于其他科學(xué)?,F(xiàn)代的天文學(xué)家也不能只將眼光放在傳統(tǒng)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡上,對(duì)同一個(gè)星體,必須以各種波段去看它,才會(huì)有新的認(rèn)識(shí)。
“視”色性也!宇宙以各種顏色展現(xiàn)給我們,我們又如何能舍棄這一美意?