■任秋凌

八大天文之謎

■任秋凌

近日，美國《科學(xué)》雜志評選出八大天文之謎，其中包括暗物質(zhì)和暗能量是什么、恒星如何發(fā)生爆炸以及宇宙射線來自何處?！犊茖W(xué)》雜志的羅伯特·庫恩茨表示：“真正的謎必須擁有持久力，絕非一些可能在不久的將來揭開的疑問。本次評出的八個謎，部分可能在將來的某一天通過天文觀測揭開，其他一些謎團(tuán)可能永遠(yuǎn)是一個謎?！?/p>

1.暗能量是什么？

哈勃超深場，共有近10 000個星系。這幅照片中涵蓋的星系年齡、體積、形狀和顏色各異,其中最小最紅的星系大約有100個，可能是距地球最遙遠(yuǎn)的星系，它們形成時宇宙只有8億歲

20世紀(jì)20年代，天文學(xué)家愛德文·哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙并非靜止不動，而是不斷膨脹的。1998年，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡對遙遠(yuǎn)超新星進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)宇宙在很久以前的膨脹速度低于現(xiàn)在。這一具有突破性的發(fā)現(xiàn)讓科學(xué)家陷入困惑之中，他們長久以來一直認(rèn)為物質(zhì)的引力逐漸減緩宇宙的膨脹速度，甚至能夠?qū)е掠钪媸湛s。對宇宙加速膨脹進(jìn)行解釋促使科學(xué)家提出暗能量理論，正是這種能量導(dǎo)致宇宙加速膨脹。

科學(xué)家認(rèn)為暗能量在宇宙中的比重達(dá)到近73%，并且難以捉摸，科學(xué)家一直未能直接觀測到它的存在?？茖W(xué)作家阿德里安·喬表示：“暗能量可能永遠(yuǎn)不會暴露其本來面目。不過，科學(xué)家仍比較樂觀，認(rèn)為通過研究能夠揭示暗能量的起源。”

2.暗物質(zhì)是什么？

20世紀(jì)六七十年代，天文學(xué)家假設(shè)宇宙的質(zhì)量可能超過可觀測的質(zhì)量。華盛頓卡內(nèi)基研究所的天文學(xué)家沃拉·魯賓對星系內(nèi)不同位置的恒星速度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)處于星系中央的恒星速度幾乎與外側(cè)恒星的速度沒有任何差異。這一發(fā)現(xiàn)似乎有悖于基本的牛頓物理學(xué)定律。按照牛頓的物理學(xué)家定律，星系外側(cè)的恒星速度應(yīng)該更慢。

天文學(xué)家用一種看不見的質(zhì)量解釋這一現(xiàn)象，也就是暗物質(zhì)。雖然看不到，暗物質(zhì)也擁有質(zhì)量，研究人員根據(jù)其對正常物質(zhì)產(chǎn)生的引力推斷暗物質(zhì)的存在。據(jù)信，暗物質(zhì)在宇宙中的比重為23%左右，只有4%的宇宙區(qū)域由正常物質(zhì)構(gòu)成，包括恒星、行星和人類在內(nèi)。

星系團(tuán)Abell 1689利用引力透鏡效應(yīng)彎曲光線。對這個星系團(tuán)進(jìn)行的一項(xiàng)新研究揭示了暗物質(zhì)如何影響宇宙的秘密

阿德里安表示：“科學(xué)家仍不知道暗物質(zhì)是什么。幾年內(nèi)，物理學(xué)家有可能探測到暗物質(zhì)粒子?！辈贿^，即使有望在不久后發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子，天文學(xué)家也無法在短期內(nèi)確定這種神秘物質(zhì)的特性。

3.消失的重子哪去了？

自然色星系照片，由美國航空航天局的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝

暗能量和暗物質(zhì)構(gòu)成了大約95%的宇宙，正常物質(zhì)僅構(gòu)成余下的5%。然而在正常物質(zhì)中，也有超過一半消失蹤影，它們的去處成為不解之謎。所謂的重子物質(zhì)構(gòu)成了質(zhì)子和電子等粒子，這兩種粒子在宇宙可見物質(zhì)中占相當(dāng)大比重?！犊茖W(xué)》雜志特約撰稿人尤希吉特·巴塔查爾吉表示：“在對從早期宇宙到現(xiàn)在的重子數(shù)量進(jìn)行計(jì)算時，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)重子數(shù)量神秘減少，好像重子在宇宙演變史上穩(wěn)定消失一般?！?/p>

據(jù)天體物理學(xué)家推測，消失的重子物質(zhì)可能存在于星系之間，被稱為“溫?zé)嵝窍惦H介質(zhì)”。尋找消失的重子仍舊是天文學(xué)家首先要揭開的謎團(tuán)之一，因?yàn)閷λ鼈冞M(jìn)行觀測有助于科學(xué)家了解宇宙和星系的結(jié)構(gòu)如何隨時間推移發(fā)生變化。

4.恒星如何發(fā)生爆炸？

這幅藝術(shù)概念圖展示了所謂的“玉夫星座墻”。這是一個最強(qiáng)有力的證據(jù)，證明附近宇宙內(nèi)消失的物質(zhì)存在于一個巨大的炙熱彌漫氣體網(wǎng)內(nèi)

當(dāng)大質(zhì)量恒星耗盡燃料并走向死亡時便會發(fā)生大爆炸，也就是形成超新星。超新星爆炸的亮度可在短時間內(nèi)超過整個星系。科學(xué)家對超新星進(jìn)行了多年研究并用電腦模型模擬，然而這種爆炸如何發(fā)生仍困擾著天文學(xué)家。巴塔查爾吉表示：“最近幾年在超級計(jì)算機(jī)領(lǐng)域取得的進(jìn)步允許天文學(xué)家對恒星的內(nèi)部狀況進(jìn)行模擬，以便進(jìn)一步了解恒星爆炸的機(jī)制。不過，很多細(xì)節(jié)仍是一個未知數(shù)，例如爆炸如何發(fā)生，又與哪些內(nèi)部因素有關(guān)?！?/p>

5.宇宙射線來自何處？

左側(cè)圖像展示了激光產(chǎn)生的沖擊波，顏色更明亮的區(qū)域密度或者溫度更大；右側(cè)圖像展現(xiàn)了星系形成前期出現(xiàn)的沖擊波

宇宙射線的來源一直困擾著天文學(xué)家，他們用了一個世紀(jì)時間研究這些高能粒子的來源。宇宙射線是帶電亞原子粒子，主要包括質(zhì)子、電子以及基本元素的帶電核。在從銀河系其他地區(qū)進(jìn)入太陽系后，宇宙射線的移動路線會因太陽和地球磁場的影響發(fā)生彎曲。

不過，這些奇異粒子的來源仍舊是一個不解之謎?！犊茖W(xué)》雜志的丹尼爾·克萊里表示：“在對宇宙射線進(jìn)行了長達(dá)一個世紀(jì)的研究之后，來自宇宙的絕大多數(shù)能量仍非常神秘莫測，科學(xué)家仍需進(jìn)行多年的研究，才有可能揭開它們的神秘面紗。”

6.宇宙如何再離子化？

大爆炸理論是被普遍接受的宇宙起源和演化理論。根據(jù)這一理論，宇宙誕生于大約137億年前，最初是一個溫度和密度極高的點(diǎn)。130億年前的早期宇宙階段被稱為“再離子化時代”，在這一時期，早期宇宙的氫氣霧被清空，第一次對紫外線呈透明狀態(tài)?？茖W(xué)作家埃德溫·卡特里德奇表示：“在大爆炸后大約40萬年，質(zhì)子和電子平靜下來，相互吸引，最后進(jìn)入中性氫原子。突然間，此前散射電子的質(zhì)子在宇宙中自由穿行?！?/p>

幾億年后，電子被原子剝離?？ㄌ乩锏缕嬲f：“宇宙的膨脹讓質(zhì)子和電子處于分散狀態(tài)，新的能量源讓它們再次結(jié)合在一起?！Ｗ訙瑯颖粵_淡，絕大多數(shù)質(zhì)子能夠在不受到阻礙的情況下移動。因此，宇宙內(nèi)的絕大多數(shù)物質(zhì)變成可以傳輸光線的離子化等離子體，一直存在至今。”

7.日冕為何擁有驚人溫度？

太陽的超熱外層大氣層被稱為日冕，溫度在50萬℃～600萬℃之間?？藸柋硎荆骸把芯刻柕奈锢韺W(xué)家一直無法理解太陽如何為日冕補(bǔ)充熱量。在發(fā)生日全食時，黑暗的太陽外圍是銀白色的光芒，像帽子一樣扣在太陽上，這個帽子就是日冕。”

天文學(xué)家認(rèn)為，日冕的熱量與可見日表下方的能量有關(guān)，能量在太陽磁場內(nèi)處理。不過，加熱日冕的詳細(xì)機(jī)制仍舊是一個未知數(shù)?？藸栒f：“對于磁場如何輸送能量，科學(xué)家正在進(jìn)行激烈討論，能量在抵達(dá)日冕后如何積聚更是一個更讓人感到困惑的謎團(tuán)。”

8.太陽系為何如此怪異？

藝術(shù)概念圖，展示了大爆炸后不到10億年出現(xiàn)的星系，當(dāng)時的宇宙仍部分充滿氫氣霧，吸收紫外線

我們所在的太陽系擁有一系列特征：處在最內(nèi)側(cè)的四顆行星均擁有多巖外殼和金屬核心，外側(cè)的四顆行星卻彼此相差甚多，每一顆都擁有獨(dú)有的特征。科學(xué)家一直對行星形成過程進(jìn)行研究，希望了解太陽系如何形成。

科學(xué)家認(rèn)為，搜尋系外行星并對其進(jìn)行研究能夠幫助他們揭開太陽系形成之謎?！犊茖W(xué)》雜志特約撰稿人理查德·克爾指出：“對環(huán)繞其他恒星的行星進(jìn)行觀測能夠給我們帶來幫助。隨著發(fā)現(xiàn)的系外行星數(shù)量越來越多并對其進(jìn)行研究，科學(xué)家能夠進(jìn)一步了解行星的多樣性?！?/p>