热点 天文

黑洞“现形”前,百年天文史上发生过哪些大事?

王国燕 桂思奇 共同发表于  2019-04-12 13:07

|· 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

显示所有评论

全部评论(8)

显示所有评论

你的评论

登录 发表评论

王国燕
王国燕 PhD,国际科技传播学会PCST学术委员。
桂思奇
桂思奇 中国科学技术大学 研究生

更多科研事,扫码早知道

关于我们 加入果壳 媒体报道 帮助中心 果壳活动 家长监控 免责声明 联系我们 移动版 移动应用

©果壳网    京ICP证100430号    京网文[2015] 0609-239号    新出发京零字东150005号     京公网安备11010502007133号

违法和不良信息举报邮箱:jubao@guokr.com    举报电话:18612934101    网上有害信息举报专区    儿童色情信息举报专区