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黑洞“现形”前,百年天文史上发生过哪些大事?

|· 本文来自“我是科学家”·|

此时此刻,你可能还沉浸在“黑洞现身”的狂喜中,然而国际天文学联合会(IAU)成立百年的庆典也刚刚拉开帷幕,重头戏在4月11日和12日两天上演。

汇集数百名顶尖科学家、官员、天文产业代表等正在布鲁塞尔举行盛大庆典。主题为“在同片天空下”的天文学百年大会,还将在全球范围内相继开展为期一整年的天文学科普与庆祝活动,从而让公众了解天文学在过去100年以来的重大进展与突破。

国际天文学联合会(IAU)在布鲁塞尔举行成立百年的庆典。图片来源:iau-100.org

就在过去这短短的100年里,天文学的突破比以往几千年都要多的多,而且更有趣,也更具影响力。脉冲星、引力波、宇宙大爆炸、类星体、双中子星合并……这些频上热点的天文学大事件,你都了解多少呢?

图片来源:iau-100.org

接下来,就让我们一起来围观下近100年来天文学上的几件大事吧。

1、脉冲星的发现

当你看到科幻片里宇航员操纵飞船的画面时,是否有过这样的疑问:在浩瀚无垠的太空中驾驶宇宙飞船,要如何分清东西南北呢?

其实,太空也有它的“路标”,那就是宇宙“灯塔”——脉冲星!

脉冲星导航艺术想象图。图中星舰为电视剧“星际迷航”中的企业号。图片来源:德国马普地外物理研究所。

脉冲星是在1967年由英国剑桥大学的天体物理学诺贝尔奖得主——修伊什(Anthony Hewish)首次发现的。

修伊什的学生贝尔女士(Jocelyn Bell),在此次发现中承担了重要的观测和分析数据工作。一开始发现脉冲星发射出的电磁波时,她还以为这是外星人向我们发射出的信号,因此,她发现的第一颗脉冲星还被戏称为——“小绿人1号”。

Jocelyn Bell。图片来源:Wikimedia Commons

那么,什么是脉冲星?它为什么能充当宇宙“灯塔”?

脉冲星其实就是高速旋转的中子星,中子星由恒星演变而来:经过“超新星爆炸”之后,就只剩下了一个致密的“核”, 其质量超过太阳质量,而直径仅有几十公里。它的旋转速度很快,有的甚至可以达到每秒1000多圈[1]

中子星构想图 图片来源:ESO/L.Calçada/CC-A

在旋转过程中,由于其超强的磁场和极端的物理条件,在中子星的两极会产生准直性的电磁辐射(包括射电波、可见光、X射线或伽玛射线)。随着中子星的旋转,这种辐射就像灯塔旋转的光束那样周期性地进入和离开我们的视线。

这种强烈的规律赋予了脉冲星最精确“宇宙时钟”的特质,它规则的信号甚至能精确到千万亿分之一!

脉冲星如此稳定的脉冲信号给人类提供了巨大的科学研究价值,一方面可以作为计时的依据;另一方面,将来在进行宇宙空间探索的时候,人们可以利用脉冲星来进行星际导航,帮助人类走出太阳系,向宇宙深处探索。

五十多年过去了,科学家从没有停止对脉冲星的探索。现在,已知的脉冲星超过了2000颗。

我国贵州省黔南,就拥有一台500米口径球面的射电望远镜——FAST,俗称“天眼”,截至2018年9月12日,“天眼”已经发现44颗经过国际认证的脉冲星。图片来源:东方IC

2、引力波的发现

2016年2月11日,激光干涉引力波天文台(LIGO)合作组宣布探测到广义相对论预言已久的引力波,引力波的探测成为了天文学界的热门话题。

目前,人们已经探测到来自双黑洞合并和双中子星合并产生的引力波。在未来也将会有越来越多的引力波得到确认。

截至2018年12月1日,LIGO探测到的引力波。图片来源:LIGO

那么,引力波是如何产生的呢?

按照爱因斯坦的广义相对论,任何有质量的物体都会导致时空弯曲(表现为引力)。当质量分布发生一定变化时(比如两个中子星相互绕转时),由此引发的时空扰动就会以光速传播出去,就像水池中的涟漪。

两颗中子星的并合过程。图片来源:Our Universe Visualized

这里说“一定变化”,是因为并不是所有的变化都会有引力波,比如物质沿着一个方向匀速前进就不会产生引力波。物理上来说,一定要使得物质分布的四极矩发生变化才可以产生引力波。

引力波有哪些特点呢?

引力波在宇宙中普遍存在。它可以提供电磁辐射不能携带的信息,探测到无法用电磁辐射或不具有电磁辐射的天体,比如LIGO之前探测到的黑洞-黑洞合并的引力波事件,就没有电磁信号,为我们描绘出完全不同的宇宙图像。

来源于距离地球14亿光年的两个黑洞的并合。图片来源:iop.org

引力波在传播过程中,基本上不被吸收、不被散射、不被屏蔽,它可以将观测领域扩大到被宇宙尘埃遮蔽,或被其他物质屏蔽的宇宙区域,揭示宇宙真面目。

它可以帮助我们了解宇宙空间中很多引人注目的天文事件,如超新星爆发、星体碰撞、双星并合的信息。也能给我们提供宇宙最早状态的信息[2]。可以说,有了引力波探测之后,人们就多了一双认识宇宙的“眼睛”。

3、宇宙微波背景辐射

 “普朗克”测得的全天宇宙微波背景辐射图,图片来源:ESA

关于宇宙的起源,一直有两种学说分庭抗礼——大爆炸理论和稳恒态理论。

大爆炸理论认为:宇宙经历了初始高温高密度状态快速膨胀(类似巨大的爆炸)的历程。这一快速膨胀过程中的微小幅度的物质-能量分布的起伏造成了现有的各大星系,而各大星系以及整个宇宙总是处于不断变化和发展的过程之中。

然而,宇宙恒稳态理论认为:宇宙的过去、现在和将来基本上处于同一种状态,从结构上说是恒定的,从时间上说是无始无终的。

但当“宇宙微波背景”被发现后,稳恒态理论直接被“K.O”,顿时失去它的了立场。

什么是“宇宙微波背景”呢?

四十年代末,大爆炸宇宙论的鼻祖之一——乔治·伽莫夫(George Gamow)认为,现在的宇宙正沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中,由于宇宙的膨胀,辐射的温度已经被冷却到6K。正如一个火炉虽然不再有火了,但还可以冒一点热气,如果可以检测到那一点“热气”,即“宇宙微波背景”,就可以给大爆炸理论提供强有力的支持!

1964年,美国射电天文学家阿诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔森(Robert Wilson)试图用喇叭型天线找到从通信卫星上反射回的射电波时,他们接收到了无法解释的一些噪音。当他们排除了一切可能性(包括天线中的鸽子粪便)后,最终发现这是一些理论学家热切期盼的“宇宙微波背景辐射”——宇宙大爆炸遗留下的热辐射[3]

发现了“宇宙微波背景辐射”后,通过不断发展的望远镜技术,天文学家们能够以更高的精确度测量它,并可以从中精确地测量出各种宇宙学参数。

天文学为我们的生活带来了什么?

除了今天介绍的几个重大突破以外,还有类星体、暗物质、星际有机分子和中微子等重要的研究发现……100多年的天文学发展给人类打开了一扇通往遥远太空的大门,让人类的发展看到了宇宙般无限的可能,并彻底的改变了我们每一个人的生活。

接下来就让我们看看,天文学中都有哪些与我们的日常生活息息相关吧。

01 | 相对论和GPS定位系统

卫星就像坐标系中几个基准点一样,知道基准点之间的距离,就不难计算出我们的坐标。这听起来不过是初中所学的解方程组,可如果对相对论一无所知,可能永远解不出答案。卫星自身的位置如何确定又与70年前我们发现的一类奇妙的天体——类星体(Quasar)密不可分[4]

最开始,GPS仅用于军事项目,而现在已有30多颗导航定位卫星环绕着地球,为我们日常生活保驾护航。

02 | 射电天文与WiFi网络

约翰·奥沙利文(John  O’Sullivan)在1977年合作发表了一篇高效传输射电望远镜图像的文章[5],基本方法就是将信号拆分成不同的频率段来传输,接受器收到信号之后再重新合并起来。

澳大利亚最大的射电望远镜,曾于阿波罗11号登月时负责图像信号接收。图片来源:参考文献[6]

这种技术可以大大降低传输过程中的干扰,获得优良的传输效率。可没想到的是,这项研究成果在10多年后为WiFi带来了关键的技术突破。如今我们每人拿起手机和电脑链接上WiFi那一刻,或许都应该感谢他。

Wifi改变了生活。图片来源:Pixabay

从航天育种改善农作物品质, 到环境和资源管理、计算机技术和许多工业产品;从健康和医学仪器,到新型交通工具、公众安全……[7]天文学的进步带来一系列技术的进步和发展,应用到生产生活之中,产生了巨大的经济效益和社会效益,有力地推动了文明的发展,使我们更诗意地栖居在地球上。

从古至今,人类从未停止探索宇宙的脚步,相信在未来,天文学将会给人类带来更多惊喜和希望!

致谢:

感谢中国科学技术大学天文系薛永泉教授对本文内容的良好建议,感谢孙谋远博士对文章学术性的细致审核把关。

(编辑:Yuki)

参考文献:

  1. 什么是脉冲星?有的脉冲星自转速度竟高达每秒1000转
  2. 王运永, 朱宗宏, R.迪萨沃. 引力波天文学——一个观测宇宙的新窗口[J]. 现代物理知识, 2016, 25(04)
  3. 你知道几个?这10大天文学突破
  4. 天文学:这么近,那么远
  5. Hamaker, J.P.; O'Sullivan, J.D.; Noordam, J.E.(1977), "Image sharpness, Fourier optics, and redundant-spacing interferometry", J.Opt.Soc.Am., 67 (8):1122–1123, doi:10.1364/JOSA.67.001122.
  6. Robertson, Peter(9 February 2010).  "40 Years of The Dish".  ABCScience.  ABC.Retrieved 16 June 2014.
  7. 探索宇宙奥秘给我们带来了什么?

作者名片

The End

发布于2019-04-12, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

我的评论

王国燕

PhD,国际科技传播学会PCST学术委员。

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    桂思奇

    中国科学技术大学 研究生

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