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        宇宙之謎藏在這10個地方 (二)

        2019-12-25 07:05:02
        奇聞怪事 2019年12期
        關(guān)鍵詞:星系團(tuán)白矮星超新星

        自138億年前的那一場大爆炸中誕生以來,我們的宇宙經(jīng)歷了一個波瀾壯闊、異彩紛呈的演化歷史。雖然許多細(xì)節(jié)已為我們掌握,但正如蘇格拉底所說“你知道得越多,你不知道的也就越多。”宇宙中依然有許多事情謎一樣讓人困惑,讓人抓癢……

        從本期開始,我們將以連載的方式介紹宇宙中10個最大、最激動人心的謎團(tuán),它們涉及行星、恒星、星系、黑洞以及其他奇怪而有趣的話題。讓我們現(xiàn)在就開始吧。

        3、超新星SN 2017CBV

        它是什么?

        死亡恒星的爆炸

        它在哪里?

        距離我們550萬光年的NGC 5643星系

        涉及的謎團(tuán)

        宇宙會有什么樣的結(jié)局?

        當(dāng)天文學(xué)家的目光穿越浩瀚的宇宙,看到一顆星星死掉了,他會例行公事把它從恒星名單中除去。因?yàn)檫@類事情并不稀罕,在宇宙中每天都發(fā)生數(shù)百萬次。但慢慢地,他們才意識到有些事情并不那么簡單。

        2017年3月,在例行的夜空巡視中,美國亞利桑那大學(xué)的大衛(wèi)·桑德發(fā)現(xiàn)了一個異?,F(xiàn)象。乍一看,它只是另一種類型的Ia超新星——白矮星過度膨脹之后,接近尾聲的一次爆發(fā)。

        白矮星是一種非常致密的天體,是恒星燃燒殆盡后剩下的殘骸,主要由碳構(gòu)成。作為恒星的殘骸,白矮星內(nèi)部的物質(zhì)已經(jīng)不再進(jìn)行核聚變。但它通常有個質(zhì)量極限,超過這個極限,在更強(qiáng)的引力作用下,聚變又會重新點(diǎn)燃,將其內(nèi)部的碳聚變成更重的元素。

        白矮星通常是雙星系統(tǒng),成對出現(xiàn),一顆從另一顆上吸食物質(zhì)。如果吃得太多,那顆“吸血星”就會超過其質(zhì)量極限,于是相當(dāng)于一顆失控的熱核炸彈,在幾秒鐘內(nèi)驟然變得非常耀眼,這就是Ia型超新星爆發(fā)。

        正因?yàn)槌^質(zhì)量極限才會爆發(fā),而質(zhì)量極限又是固定的,所以天文學(xué)家可以預(yù)測出Ia型超新星爆發(fā)產(chǎn)生的輻射能量,然后跟它看起來的亮度作對比,就能計算出它和我們的實(shí)際距離。這樣,Ia型超新星在茫茫宇宙中就充當(dāng)了一座座“里程碑”,一把把“量天尺”。

        那天夜晚,桑德觀察到的SN 2017CBV正是一顆Ia型超新星。但蹊蹺的是,隨后對它的廣泛觀測發(fā)現(xiàn),那顆爆炸的白矮星,它的同伴不是另一顆白矮星,而是一顆更大的恒星!當(dāng)同伴是一顆白矮星時,超新星爆發(fā)所發(fā)出的光全部來自爆炸的白矮星(另一顆沒爆發(fā)的白矮星不發(fā)光),而其亮度是一個固定值,我們根據(jù)地球上測到的亮度,就可以知道它離我們有多遠(yuǎn)了。但如果同伴是一顆恒星,那么因?yàn)榫嚯x遙遠(yuǎn),爆炸的白矮星(即超新星)的光與恒星的光根本區(qū)別不開,我們就無從知道超新星的真實(shí)亮度了。這樣,它也就無法充當(dāng)“量天尺”了。

        這一點(diǎn)非常重要。因?yàn)槲覀冎阅馨袸a型超新星當(dāng)作“量天尺”來用,是因?yàn)橐郧岸颊J(rèn)為Ia型超新星爆炸只有一種爆炸形式?,F(xiàn)在突然又出現(xiàn)另一種迄今未知的爆發(fā)機(jī)制,兩種不同的Ia型超新星混在一起,又不容易辨別,那么這些“量天尺”的準(zhǔn)確性就大打折扣了。

        “量天尺”不可靠所帶來的嚴(yán)重后果是你想象不到的——這撼動了宇宙學(xué)的核心!因?yàn)檫@涉及到暗能量是否真實(shí)存在的問題。

        1998年,天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一組遙遠(yuǎn)的Ia型超新星,它們比預(yù)期的要暗淡,結(jié)論是它們比預(yù)計的還要遙遠(yuǎn)。天文學(xué)家將這一結(jié)果歸因于宇宙在加速膨脹。他們將導(dǎo)致宇宙膨脹加速的未知東西,稱作“暗能量”。

        迄今沒有人知道“暗能量”到底是什么,總的來說,它與引力的性質(zhì)截然相反。引力把物質(zhì)聚在一起,暗能量卻把它們拉扯開。這意味著,暗能量和引力的較量,決定了宇宙的大小、壽命和最終的結(jié)局。如果暗能量足夠強(qiáng)大,勝過引力,將導(dǎo)致“大撕裂”的結(jié)局。但如果引力取勝,那又會導(dǎo)致 “大崩塌”的結(jié)局。

        可是,“暗能量”這個假設(shè),本身是建立在對Ia型超新星信任的基礎(chǔ)上的,相信它們可以精確地充當(dāng)宇宙“量天尺”。要是這個信任基礎(chǔ)不存在了,那大家談了這么多年“暗能量”,都只能算談鬼了。因發(fā)現(xiàn)存在“暗能量”而頒發(fā)的諾貝爾獎,也該收繳回去。宇宙中根本不存在任何可與引力相抗衡的力量,所以除了“大崩塌”,也不會有其他結(jié)局……這就怪不得像SN 2017CBV這類反常的超新星,要讓人皺眉了。

        4、BOSS星系長墻

        它是什么?

        大尺度結(jié)構(gòu)

        它在哪里?

        它蜿蜒在大范圍的天區(qū),距離我們平均68億光年

        涉及的謎團(tuán)

        我們處在宇宙中一個

        特殊的地方嗎?

        整個宇宙學(xué)都是建立在我們沒有任何特殊之處的觀念基礎(chǔ)上的:就所處的位置來說,太陽系不過是宇宙中一個很普通的恒星系統(tǒng),地球也不過是一顆普通的行星,造物主并沒有把人類安置在宇宙中一個特別的位置。

        這個觀點(diǎn)可以追溯到哥白尼那個偉大的發(fā)現(xiàn):并不是太陽繞著我們轉(zhuǎn),而是我們在繞著太陽轉(zhuǎn)。這樣一下子,我們就從造物的中心位置上掉了下來。

        從那時起,人們越來越清楚了,地球、太陽都不過是宇宙中普通的一分子。哥白尼的發(fā)現(xiàn)也已變成了“哥白尼原理”:一般而言,宇宙中沒有任何地方是特殊的,一切看起來都一樣。我們當(dāng)前建立在廣義相對論基礎(chǔ)上的宇宙模型也深深依賴這個假設(shè)。

        哥白尼原理的核心是尺度的概念。不妨把宇宙想象成一群人。近距離看,你可以看到每個人的都擁有不同的個性、癖好,但把鏡頭拉遠(yuǎn),個性特征模糊了,你所看到的只是一群沒有差別的人。

        還可以再做一個比喻。在房間地面隨機(jī)撒了一碗豌豆。我們知道,每一粒豆都由分子組成,分子又是由原子,原子又由原子核和電子組成……從小于豌豆的尺度看,存在著一層層的等級結(jié)構(gòu)。但到了豌豆這一尺度,等級消失了,并沒有出現(xiàn)比豌豆更大的結(jié)構(gòu)(當(dāng)然,如果把豌豆盛在碗里,然后一口口碗放置在地上,那么與“一粒豌豆”相比,“一碗豌豆”又是更大的結(jié)構(gòu))。我們看到的是,豌豆均勻分布在地面上。所以從豌豆這個尺度,可以認(rèn)為物質(zhì)是均勻分布的。

        同樣道理,在較小的尺度上,宇宙看起來非常獨(dú)特,由恒星、星系和星系團(tuán)組成,但到了一定的尺度(一般是大約10億光年),這些差異消失了。物質(zhì)在整個宇宙看起來是均勻分布的。

        但近年來,對這一觀點(diǎn)的各種挑戰(zhàn)不斷出現(xiàn)。也許最大的挑戰(zhàn)是發(fā)現(xiàn)于2016年的BOSS星系長墻。該“墻”是由成千上萬個星系組成的,綿延長達(dá)10億光年的一個巨型絲狀結(jié)構(gòu)。

        包括我們銀河系在內(nèi)的室女座超星系團(tuán),似乎也隸屬于一個叫“拉尼亞凱亞超星系團(tuán)”的更大型結(jié)構(gòu)。這個大型超星系團(tuán)是在2014年完成劃界的,它在天空中橫跨5億光年。同一年,我們還在天空中發(fā)現(xiàn)了一個巨型空洞,直徑達(dá)20億光年。

        總而言之,我們可能占據(jù)了宇宙中一個相當(dāng)不尋常的位置,處在一個巨大的超星系團(tuán)和另一個巨大的宇宙空洞之間。這樣的場景“配置”,在宇宙中可能是比較罕見的。

        關(guān)于宇宙物質(zhì)是否分布均勻這一問題,目前也還沒有定論。如果今后不斷有比BOSS星系墻更大的結(jié)構(gòu)出現(xiàn),那么均勻性假說就岌岌可危了。

        而且巨型結(jié)構(gòu)的存在,可能迫使我們放棄把時空設(shè)想成均勻的,這一來,對宇宙當(dāng)前年齡的估計也要改變。目前對宇宙膨脹速率的測量,存在兩種相互競爭的方法。一種是根據(jù)宇宙微波背景輻射計算的,因?yàn)檫@種輻射原先是高能光子,波長很短,后來隨著宇宙膨脹被拉長了,所以它的拉長跟宇宙膨脹速率有關(guān);另一種則根據(jù)超新星亮度隨宇宙膨脹的衰減程度來計算的。過去,因?yàn)閮煞N計算辦法的精度都不夠高,它們之間的差異似乎還在容許范圍之內(nèi),但現(xiàn)在,隨著精度的提高,差異已經(jīng)超出了允許范圍。究竟哪一個算得更準(zhǔn)確,天文學(xué)家根本無從判斷。也許巨型結(jié)構(gòu)物的存在,是造成這一分歧的原因。如果得到證實(shí),那么,這將進(jìn)一步肯定了宇宙物質(zhì)分布的非均勻性,從而也更加肯定了我們在宇宙中所處位置的特殊性。

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