探索宇宙奧秘

科普宣傳資料（十一）《探究宇宙的奧秘》廣州市第四十七中學(xué)物理科科普宣傳小組 第1頁共10頁 編輯日期：2007年12月26日探索宇宙奧秘1、最新宇宙級(jí)別的“無聲暴力”(圖)據(jù)美聯(lián)社報(bào)道，科學(xué)家用望遠(yuǎn)鏡拍下了最新宇宙級(jí)別的“無聲暴力”：一個(gè)在“死亡星系”的黑洞用一股極為強(qiáng)烈的射線和能量引爆著相鄰的星系。這些致命的噴射和能量，足以摧毀數(shù)十億恒星及其行星上的任何生命，但同時(shí)也會(huì)有新的恒星在這一過程中誕生。美國國家航空航天局解釋說，人們此前還未曾目睹此類慘烈景象。2、銀河系中可能游蕩著上百個(gè)黑洞通過數(shù)值模擬，美國研究人員發(fā)現(xiàn)銀河系中可能游蕩著上百個(gè)質(zhì)量幾千倍于太陽質(zhì)量的黑洞，美國范德比爾特大學(xué)的凱利·霍利—伯科爾曼1月9日在美國天文學(xué)學(xué)會(huì)第211次會(huì)議上公布了這一結(jié)果，相關(guān)消息刊登在P網(wǎng)站上。過去兩年里，研究人員對(duì)黑洞合并進(jìn)行了數(shù)值模擬，并驚奇地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)自轉(zhuǎn)速度各異或大小不同的兩個(gè)黑洞合并時(shí)，動(dòng)量守恒會(huì)使新形成的黑洞沿任意方向以4000千米/秒的速度迅速離去。霍利—伯科爾曼說，這個(gè)速度比之前估計(jì)的要高得多，而即使是模擬得到的平均速度200千米/秒也比一般天體的逃逸速度高很多。這意味著球狀星團(tuán)中的任何一次這樣的黑洞合并都會(huì)使新黑洞逃離原來的棲息地，因?yàn)榍驙钚菆F(tuán)的逃逸速度還不到100千米/秒。研究人員進(jìn)一步模擬了中等質(zhì)量黑洞與球狀星團(tuán)中富含的小質(zhì)量黑洞的合并，發(fā)現(xiàn)即使每個(gè)球狀星團(tuán)最初只有一個(gè)中等質(zhì)量黑洞，合并形成的新黑洞也僅有30%會(huì)留在原來的星團(tuán)中?；衾茽柭f，按照最大膽的估計(jì)，目前僅有不到2%的球狀星團(tuán)中還有中等質(zhì)量黑洞。銀河系中共有200個(gè)球狀星團(tuán)，如果它們其中都孕育了至少一個(gè)中等質(zhì)量黑洞，那么可能已有100多個(gè)黑洞擺脫了星團(tuán)的束縛而游蕩在銀河系的各個(gè)角落，等待著送上門來的星云、恒星和行星來美美地大餐一頓。但研究人員表示，這些游蕩的黑洞不會(huì)對(duì)地球造成威脅，因?yàn)樗鼈冃纬傻耐{地帶僅有幾百公里的半徑。3、宇宙中的第一顆星球(圖)在宇宙形成數(shù)百萬年之后才出現(xiàn)了第一顆星球。現(xiàn)在，模型得出結(jié)論認(rèn)為宇宙的第一顆星球形成時(shí)間要更早。

宇宙茫茫無際，有著無數(shù)的星球，沒有任何人可以數(shù)的過來，僅在我們的銀河系就有4000億顆星球，不過，宇宙一開始并不是這個(gè)樣子。在我們宇宙形成的最初數(shù)百萬年里面，沒有一顆星球存在。在數(shù)百萬年后才出現(xiàn)了第一顆星球。這顆最原始的星球很可能是一顆巨大明亮的龐然大物，它要比現(xiàn)在的任何星球燃燒的更明亮，更快速。現(xiàn)在，一個(gè)新型的計(jì)算機(jī)模型得出結(jié)論認(rèn)為宇宙的第一顆星球要比原先所認(rèn)為的形成時(shí)間還要更早。在其他的一些研究中，曾認(rèn)為宇宙中的第一顆星球是在宇宙137億年前大爆炸之后的1.55億年之后才開始發(fā)光存在的?？墒?，這項(xiàng)新的計(jì)算機(jī)模擬卻表明第一顆星球的形成時(shí)間還要更早。它大約形成于宇宙年齡只有3000萬年的時(shí)候。而且，該模擬還指出了像我們現(xiàn)在銀河系這樣龐大的宇宙第一個(gè)星系形成于接下來的3.7億年。宇宙早期的電腦模擬圖，紅色部分為高密集區(qū)使用詳細(xì)的計(jì)算機(jī)模擬，天文學(xué)家重新構(gòu)建了第一顆星球形成的條件，甚至列出了后來其他星球形成的精確步驟序列，以及最終星系的形成。例如，天文學(xué)家猜測，由一個(gè)暗物質(zhì)和氣體所組成的密集的云形成了宇宙的第一顆星球。同時(shí)，他們認(rèn)為，我們現(xiàn)在的星系是宇宙初期許多更小的星系合并后的產(chǎn)物。可是，要估算出第一顆星球的形成時(shí)間是十分苦難的，因?yàn)?，即使最?qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)每次也只能模擬宇宙的很小一部分。這個(gè)計(jì)算機(jī)模型由以色列特拉維夫(Tel

Aviv)大學(xué)的天體物理學(xué)家瑞南·巴克納和他的同事們共同創(chuàng)造。原始星球按照恒星標(biāo)準(zhǔn)，最原始的這顆星球是一個(gè)龐然怪物。它可能有著我們100個(gè)太陽大小，而且釋放出大量的能量射線，尤其是紫外線范圍，加入人類看到它的話，它將是一個(gè)紫羅蘭色的星球。宇宙的第一顆星球要比現(xiàn)在所有的星球都要明亮，并且它將它的星球生命壓縮到了只有200萬到300萬年，而一般現(xiàn)在的星球的壽命有著幾十億年。比如說，我們的太陽，現(xiàn)在正處在中年時(shí)期，它大約存在了46億年之久了。科學(xué)家認(rèn)為，當(dāng)這顆原始星球燃料耗盡的時(shí)候，便以一顆超新星的形式發(fā)生爆炸，將重物質(zhì)釋放到了宇宙之中，為下一代星球的產(chǎn)生創(chuàng)造了舞臺(tái)。巴克納說，“在一個(gè)短暫的時(shí)期之后，整個(gè)宇宙中的星球便開始變的更加多?！彼f，宇宙的第二代星球大約開始于第一顆星球的100萬年后，大約500萬年后，出現(xiàn)了100個(gè)星球，大約在1000萬年里，10000個(gè)燃燒的星球照耀著天空。第一顆星球主要由氫和氦所組成，而后來的星球則更多的包含了更重的物質(zhì)，如碳和鐵。巴克納說，從第一顆星球釋放出來的光芒，仍然可以被觀察到。在宇宙中，越老的天體，距離我們越遠(yuǎn)，要觀察到第一顆星球所發(fā)出的光芒，需要使用一個(gè)比哈勃望遠(yuǎn)鏡敏感1億倍的望遠(yuǎn)鏡，但是，我們知道這是不可能的。巴克納說，“假如第一顆星球確實(shí)特別龐大，并且產(chǎn)生了一個(gè)巨大的超新星爆炸或伽馬射線的暴發(fā)，那么我們就有機(jī)會(huì)在未來的幾十年里通過設(shè)備觀察到這次爆炸?！钡谝活w星球形成的計(jì)算機(jī)模擬圖第一顆星球形成的計(jì)算機(jī)模擬圖4、月球本是地球的一部分？(圖)有科學(xué)家認(rèn)為月球由一顆和火星大小的行星與地球碰撞后產(chǎn)生的碎片所形成，據(jù)歐洲宇航局報(bào)道，歐洲宇航局SMART-1探測器上的D－CIXSX射線光譜儀首次在月球軌道探測到在月球表面上存在鈣，這為一直以來人們關(guān)于月球是否由地球的部分所形成的疑問提供了線索。負(fù)責(zé)D－CIXSX射線光譜儀的科學(xué)家宣稱他們在月球表面還發(fā)現(xiàn)鋁、鎂和矽。威爾士阿伯斯威大學(xué)的Manuel

Grande說：“我們已經(jīng)擁有了月球表面鐵的分布圖?，F(xiàn)在，我們期望我們也能夠繪制出其他元素的分布圖。”在2005年1月的時(shí)候，太陽上發(fā)生了一場巨大的爆發(fā)，當(dāng)時(shí)SMART-1號(hào)正好位于月面危海的上空?？茖W(xué)家當(dāng)時(shí)非常害怕這場爆發(fā)，因?yàn)樗锌赡軗p害探測器，但是對(duì)于負(fù)責(zé)D－CIXSX射線光譜儀的科學(xué)家來說，這正是他們所需要的。因?yàn)镈－CIXSX射線光譜儀需要依靠太陽發(fā)出的X射線來激發(fā)月球表面的元素，然后這些元素又會(huì)發(fā)出特殊波長的X光。D-CIXS收集到這些元素的

“指紋”，然后再將它們翻譯成在月球表面發(fā)現(xiàn)的豐富的化學(xué)元素。Grande和他的同事將D-CIXS的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室前蘇聯(lián)采集的月球樣本的分析聯(lián)系起來。

他們發(fā)現(xiàn)D-CIXS在月球軌道探測到的月球表面存在鈣的情況與前蘇聯(lián)“Luna

24”探測器在月球表面危海地區(qū)的發(fā)現(xiàn)相一致。SMART-1飛過危海附近高地的時(shí)候，D-CIXS也在那里發(fā)現(xiàn)了鈣，當(dāng)科學(xué)家查看了前蘇聯(lián)的月球任務(wù)“Luna

20”的資料后感到非常的驚訝，因?yàn)樵?0世紀(jì)70年代這艘太空船也發(fā)現(xiàn)了鈣。這使科學(xué)家更加確信了D-CIXS的結(jié)果。自從美國宇航員在20世紀(jì)60年代晚期和20世紀(jì)70年代早期的阿波羅號(hào)登月任務(wù)中帶回月巖樣本以來，行星學(xué)家們對(duì)這些月巖與地球深出地函區(qū)域發(fā)現(xiàn)的巖石十分的相似感到驚訝。這就推進(jìn)了月球由地球與一個(gè)火星大小的行星瞬間碰撞后釋放的碎片所形成的理論?？墒牵嗟目茖W(xué)家細(xì)致的觀察了月巖，發(fā)現(xiàn)其與地球深處的巖石仍有著很大的差別。最最重要的是，月巖當(dāng)中的同位素與地球巖石當(dāng)中的發(fā)現(xiàn)并不一致。Grande說：“阿波羅登月任務(wù)所帶回的月巖代表的僅僅是月球表面非常特殊的區(qū)域，因此不能夠代表月球的整個(gè)表面?！币虼司托枰狣-CIXS和它的數(shù)據(jù)。通過測量月球表面一些豐富的元素，科學(xué)家可以更好的了解月球是否由來自年輕時(shí)的地球和它可能存在的碰撞者所產(chǎn)生的物質(zhì)濃縮而形成。最新的模型顯示形成月球的物質(zhì)更多的是來自與地球碰撞時(shí)的那個(gè)碰撞者，而來自地球的物質(zhì)相對(duì)較少一些。D-CIXS只是一個(gè)小型的實(shí)驗(yàn)裝置，大約只有烤箱大小?，F(xiàn)在，歐洲宇航局正在與印度合作，在2007年至2008年間印度首次發(fā)射的月球探測器Chandrayaan上安裝一個(gè)升級(jí)版。它能夠繪制出月球表面化學(xué)物質(zhì)的分布圖，其中包括那些曾在早先登陸時(shí)被采集樣本的地方。通過這種方式，我們才能夠知道阿波羅號(hào)和俄國登月的地點(diǎn)是否是月球典型的或者特殊的地方。SMART-1項(xiàng)目科學(xué)家Bernard

Foing說：“通過SMART-1對(duì)早先登陸地的觀察我們可以將軌道觀察與地面的真實(shí)情況進(jìn)行比較，并將視野由局部擴(kuò)展到整個(gè)月球?！蹦菚r(shí)，或許行星學(xué)家們就能夠確定月球是否曾是地球的一部分了。自大爆炸以來最劇烈的一次星系團(tuán)碰撞形成的子彈氣團(tuán)5、天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)直接證據(jù)其構(gòu)成仍是迷(圖)自大爆炸以來最劇烈的一次星系團(tuán)碰撞形成的子彈氣團(tuán)據(jù)ABC澳洲科技網(wǎng)報(bào)道，天文學(xué)家們宣布首次發(fā)現(xiàn)有關(guān)暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)，但科學(xué)家們對(duì)于暗物質(zhì)這一令人難以琢磨的物質(zhì)有的也只是一個(gè)模糊的概念，對(duì)于其具體構(gòu)成還不是十分明了。此次的觀測結(jié)果來自于對(duì)已知宇宙中最劇烈的一次碰撞后的氣體以及其中的恒星的測量，兩個(gè)星系團(tuán)在被稱為子彈氣團(tuán)的物質(zhì)中發(fā)生劇烈碰撞（兩個(gè)星系團(tuán)相向高速運(yùn)動(dòng)，由于構(gòu)成星系團(tuán)物質(zhì)主體的熾熱氣體相互排斥，于是形成了子彈狀氣團(tuán)），使得來自各自星系團(tuán)的恒星以及暗物質(zhì)互相撕裂，使得更廣大區(qū)域內(nèi)分布著的星際氣體也發(fā)生碰撞并減速。

來自哈佛大學(xué)-史密森天體物理中心的天體物理學(xué)家馬克希姆－馬可維奇說：“一個(gè)典型的星系中所有的物質(zhì)都占據(jù)著同一個(gè)空間，在發(fā)現(xiàn)的這個(gè)碰撞事件中，星際氣體以及星系團(tuán)在宇宙中被分裂開來，兩個(gè)發(fā)生碰撞的星系團(tuán)由于碰撞互相融合，但其中的星系氣云的融合卻不是那么簡單?！边@就好比兩團(tuán)內(nèi)含葡萄干的巨大的麥片粥，以數(shù)百萬公里每小時(shí)的速度發(fā)生了碰撞，葡萄干就好比星系團(tuán)中的恒星和暗物質(zhì)，麥片就好比其中的星際氣體。碰撞后，其中的葡萄干可能會(huì)發(fā)生點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的碰撞，而其中的麥片將在宇宙空間中黏附在不同的區(qū)域。結(jié)果是，空間中形成了不同的部分：一部分含有大量熾熱碰撞氣體，另一部分在可見星系團(tuán)的兩邊則是所有的暗物質(zhì)以及恒星。天體物理學(xué)家們知道，可見的恒星始終同暗物質(zhì)在一起，因?yàn)樘祗w物理學(xué)家們通過測量光線在這一區(qū)域的彎曲情況來對(duì)恒星所處的區(qū)域的質(zhì)量進(jìn)行了分析。根據(jù)愛因斯坦廣義相對(duì)論原理，光線在引力場中會(huì)發(fā)生彎曲，光線彎曲的越厲害，說明這一區(qū)域中的暗物質(zhì)產(chǎn)生的引力場越強(qiáng)，從而也說明了其中的暗物質(zhì)越多。在這種情況下，碰撞的星系團(tuán)中的恒星區(qū)域其所擁有的質(zhì)量要比可見恒星或星際氣體的質(zhì)量大的多，這其中的唯一解釋就是暗物質(zhì)的存在了。馬可維奇說：“通過對(duì)這一現(xiàn)象的觀察，給我們提供了一個(gè)直接而且簡單的方法證明了暗物質(zhì)的存在?！卑l(fā)生在子彈氣團(tuán)中的劇烈碰撞。產(chǎn)生的熾熱氣體中包括大多數(shù)常態(tài)物質(zhì)（紅色部分顯示）和暗物質(zhì)（藍(lán)色部分顯示）。這次的觀察發(fā)現(xiàn)使用了一系列的天文望遠(yuǎn)鏡，包括在軌道上運(yùn)行的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡、“錢德拉”X射線太空望遠(yuǎn)鏡以及在地面上的歐洲南方天文臺(tái)的甚大望遠(yuǎn)鏡和麥哲倫望遠(yuǎn)鏡。關(guān)于此次發(fā)現(xiàn)的論文將被發(fā)表在美國天文學(xué)協(xié)會(huì)期刊《天體物理雜志通訊》上。目前，我們對(duì)暗物質(zhì)存在的了解僅僅建立在這樣一個(gè)事實(shí)上：我們?nèi)庋勰芸吹降乃形镔|(zhì)的質(zhì)量只占星系團(tuán)中很小一部分，也就是說，其產(chǎn)生的引力場只有整個(gè)星系團(tuán)引力場的1/5，剩下的物質(zhì)就是我們所說的暗物質(zhì)了。發(fā)生在子彈氣團(tuán)中的劇烈碰撞。產(chǎn)生的熾熱氣體中包括大多數(shù)常態(tài)物質(zhì)（紅色部分顯示）和暗物質(zhì)（藍(lán)色部分顯示）。來自美國圖森市亞利桑那大學(xué)的研究人員道格拉斯－克勞博士表示，對(duì)子彈氣團(tuán)（該氣團(tuán)的正式編號(hào)為1E0657-56）的觀察并不能解釋暗物質(zhì)到底是什么，但這些觀察到的現(xiàn)象為我們提供了一個(gè)可靠的線索，我們可以對(duì)暗物質(zhì)粒子進(jìn)行一些限制。暗物質(zhì)組成的線索無論暗物質(zhì)粒子是由什么組成的，它們要么像恒星一樣在宇宙空間中廣泛分布，要么可以通過某種方式可以避開相互之間的碰撞?？藙诒硎?，這是一條小線索，但僅僅是觀察到暗物質(zhì)在子彈氣團(tuán)中被釋放出來這一點(diǎn)就可以成為一條非同尋常的可靠線索，因?yàn)榘滴镔|(zhì)的存在被認(rèn)為是宇宙中最神秘的一個(gè)事物。芝加哥大學(xué)物理學(xué)副教授肖恩－卡羅爾說：“這一發(fā)現(xiàn)最偉大的地方在于第一次向我們揭示了暗物質(zhì)的存在?！边@也意味著，對(duì)于我們在星系中觀察到的現(xiàn)象可以繼續(xù)使用愛因斯坦的引力定律來解釋。6、科學(xué)家認(rèn)為火星上可能存在活冰川據(jù)新華社倫敦12月19日電歐洲航天局的科學(xué)家們最近從“火星快車”探測器傳回的高清晰圖像中發(fā)現(xiàn)了冰的特征，并由此認(rèn)為，火星上可能存在活冰川?？茖W(xué)家估計(jì)，在這一區(qū)域，水是在過去1萬年到10萬年間從地下冒出來的，然后形成冰川。這些活冰川的存在為“火星快車”在火星上尋找生命跡象提供了首選目的地。歐洲“火星快車”探測器于2003年12月25日到達(dá)火星，其主要使命是尋找水存在的證據(jù)以及對(duì)火星的大氣和土壤成分進(jìn)行分析，以探尋火星上可能存在的生命跡象。7.銀河系“心臟”的秘密（圖）銀河系中心天區(qū)10度的可見光照片（左）和紅外照片（右）。由于銀河系中心區(qū)與我們之間有大量星際塵埃遮擋而消光萬億倍，可見光觀測不到，過去不了解銀河系‘心臟’的秘密，甚至不知道銀心的準(zhǔn)確位置。然而，穿透能力強(qiáng)的射電、紅外、X射線和γ射線波段輻射觀測揭示銀心的秘密。1951年發(fā)現(xiàn)人馬A強(qiáng)射電源位于銀心，高分辯觀測顯示它包括三個(gè)點(diǎn)源：人馬A東、人馬A西和人馬A*。更高分辨射電圖像（下圖左上）顯示，人馬A*周圍有個(gè)約20-80光年的氣體云環(huán)，環(huán)外有長160光年的激發(fā)氣體纖維結(jié)構(gòu)。云環(huán)內(nèi)有象小旋臂的電離氣體螺旋式進(jìn)入中心體，致密的人馬A*控制周圍物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)（右）；左下是左上的方框區(qū)高分辨像。銀心6.5光年范圍的光度（即輻射功率）是太陽的1千萬倍。錢德拉X射線衛(wèi)星高分辨地觀測了銀心區(qū)（下圖），人馬A東是顆超新星的遺跡，人馬A西是氣體旋渦形結(jié)構(gòu)，可能向A*（黑洞）加熱。人馬A*位于銀心，其坐標(biāo)為：赤經(jīng)266.40499625°、赤緯–28.93617242°。由這些資料推斷出銀心可能是300萬太陽質(zhì)量的“黑洞”，它吸積物質(zhì)而日益增大質(zhì)量?！昂诙础睂?shí)際上處于周圍‘發(fā)亮’物質(zhì)之內(nèi)。

高能立體望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)（HESS）發(fā)現(xiàn)銀河系心臟有個(gè)高能γ射線強(qiáng)輻射天體，可能是1萬年前爆炸的超新星遺跡，它離銀心（人馬A*）超大質(zhì)量黑洞很近，因此γ射線可能跟黑洞成協(xié)?？灯疹Dγ射線天文臺(tái)(CGRO)發(fā)現(xiàn)銀心區(qū)有兩個(gè)未預(yù)料到的反物質(zhì)云，發(fā)出正、反物質(zhì)湮滅的輻射。充有反物質(zhì)電子的氣體熱泉來自銀心周圍一個(gè)區(qū)，可能跟超大質(zhì)量黑洞附近形成恒星有關(guān)，也是巨星或黑洞反物質(zhì)“工廠”出來的風(fēng)。8、銀河系內(nèi)的又一個(gè)“地球”(圖)太陽系外和地球相似行星概念圖宇宙中是否存在和地球相類似的行星？我們地球是宇宙獨(dú)一無二的驕子嗎？這是非常深刻的問題。迄今為止沒有人給出肯定或者否定的回答。天文學(xué)家已經(jīng)在銀河系發(fā)現(xiàn)若干和地球相似的表面由巖石構(gòu)成的行星。它們的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地球，也缺乏圍繞旋轉(zhuǎn)的類似太陽的星球，而是圍繞已經(jīng)死亡的星體旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在對(duì)于這個(gè)問題的回答，有了里程碑式進(jìn)展?？茖W(xué)家在太陽系外部發(fā)現(xiàn)了一個(gè)和地球非常相似的行星。其行星編號(hào)為155，是太陽系外最小的行星。其半徑是地球的2倍，質(zhì)量是地球的7.5倍。距恒星300萬千米（0.021天文單位）。這個(gè)行星的軌道周期為1.94天。其軌道大小只有太陽系水星軌道的十分之一。這顆新