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北京天文馆 天文学词典

2014-10-19  水共山华
英文名称 中文名称 词义解释
Crab nebula蟹状星云有人曾经挖苦天体物理学家的职业可以分成相等的两部分——研究蟹状星云及其内容物和研究宇宙中其他一切事物。近年来,因宇宙已能在整个电磁波谱进行观测和发现了极具天体物理重要性的新型天体,这种挖苦有所平息;不过蟹状星云确实具备一些几乎所有天体物理学家都感兴趣的性质。 蟹状星云本身是金牛座中一个发光的气体尘埃云,离我们大约两千秒差距。它又被称为金牛座A、 M1和NGC 1952。它有这么多名称是因为它能在几乎所有波段观测到——蟹状星云是最早证认为已知天体的三个射电源之一,是第二个被发现的X射线源,它也是从地球看第二个最亮的γ射线源。 蟹状星云是1054年中国人观察到的一次超新星爆发的遗迹,该超新星一度比金星还亮,白天能见长达23天。爆发产生的碎片云一直在膨胀,云中物质仍在以大约1 500公里每秒的速率向外运动。所以,从英国天文爱好者约翰·贝维斯(John Bevis,1693-1771)第一次用望远镜观察蟹状星云以来,它的外貌已经显著改变。 蟹状星云含有细长的纤维状物,1844年最先看到这些纤维的罗斯勋爵(Lord Rosse)把它们画成图,结果有点儿像螃蟹的螯,这就是蟹状星云名称的由来。 纤维向外运动的速率(20世纪用多普勒效应和直接测量相隔多年拍摄的照片两种方法定出的)与根据中国人的观测估计的蟹状星云年龄符合得极好——以这一速率匀速膨胀约900年正好应该形成这样大小的云。但这提出了一个难题,因为如果蟹状星云单纯是从很久以前的爆发地点向外运动的碎片,它们在稀薄星际介质中开路前进时应该逐渐减慢下来。 这个难题也与蟹状星云的其他特征有关系。纤维物质的主要成分是氢,它应该足够热,主要发射红光;但蟹状星云的总体颜色却是独特的不常见的淡黄,在天文照片上的整体外貌像一个镶着红棉花边的黄色棉球。  黄色光是由所谓的同步加速辐射过程,即脱离了原子的自由电子在强磁场中回旋运动时产生的。这种过程经常产生射电辐射,但蟹状星云中的能量极多,致使电子也能辐射可见光。1950年代对蟹状星云的研究提供了宇宙中能够自然产生同步加速辐射的第一个证明。与大多数星云不同的是,蟹状星云的中心部位最亮,这说明蟹状星云中心必定有一个仍在起作用的能源,是它维持了蟹状星云的热度并将气体向外驱赶。 蟹状星云以同步加速辐射形式输出的总能量是3×10^38尔格每秒,等于太阳总能量输出4×10^33尔格每秒的75 000倍。而且这还是一颗900年前“死亡”的星发出来的!好几位天文学家早已有了这些能量从何而来的想法。早在1930年代,弗里茨·兹威基曾提出,超新星爆发可能留下一个中子星形态的恒星遗迹。虽然很少人认真看待这个思想,瓦尔特·巴德却指出蟹状星云应该是寻找中子星的最佳地点,他甚至认为那里确有一颗可作为候选者的恒星,有时称之为巴德星。而在发现脉冲星一年前的1966年,约翰·惠勒和意大利理论家佛朗哥·帕西尼(Franco Pacini)已经推测蟹状星云发射的能量之源可能是一颗自转的中子星。 但他们关于蟹状星云能源的思想直到1968年才有人认真考虑(说良心话,人人都几乎没有时间来了解这些思想),那时,在发现第一批脉冲星一年之后,射电天文学家发现有一颗脉冲星几乎就在蟹状星云的中心位置。这是当时已知最快的脉冲星,它每秒钟自转30次;正是这颗脉冲星发射的电子产生了同步加速辐射,并将能量从脉冲星转移到星云。 由于损失能量,蟹[状星]云脉冲星(也叫做NP 0532,NP是NRAO pulsar(国家射电天文台脉冲星)的简称)迅速变慢,其自转速率只要1 200年就降低一半。这一变慢速率虽然不大,但蟹状星云中心的自转中子星贮存的能量极多,尽管损失的能量使脉冲周期每天仅仅增加3×10^-8秒,也足以维持星云的全部能量输出。 蟹状星云被证认为射电源后,又发现它在可见光和X射线波段发出同样频率的闪耀。巴德星真的是一颗中子星。如果有人在1960年代初就认真考虑一颗恒星每33毫秒闪光一次这一荒唐可笑的见解,并且设计一个搜寻巴德星这种闪光的实验,他也许已经用光学天文方法先于射电天文学家发现了脉冲星。不过,老实说,正是由于巴德星已经被承认(即使只有巴德一个)是中子星候选者,而且正好在一个超新星遗迹的中心位置,它的被证认为脉冲星才使天文学家在1968年承认所有脉冲星都是超新星爆发产生的中子星。 与这颗星有关的全部活动表明,该脉冲星精力极为旺盛,而这与它的年轻有关——这是最年轻的已知脉冲星。 蟹状星云中的纤维本身也很有趣,光谱学研究显示,纤维物质所含的氦,与氢相比,数量达到通常在恒星表层看到的七倍左右。这是由于母恒星爆发前其内部通过核聚变过程生成了氦(见核合成),而爆发时内部的富氦物质与表层混合的缘故。  单是纤维中发光气体的质量大约等于太阳的质量,但爆发时应该抛出多得多的物质,不过我们看不见,因为它是不发光的。尽管脉冲星残骸(即中子星)大概只有太阳一半的质量,原始恒星的质量则应该是太阳的很多倍。我们在蟹状星云中看到的浓缩恒星物质的抛射,就是将重元素扩散到空间、形成供制造后代恒星和行星的原料的过程。  
Crab pulsar蟹云脉冲星蟹状星云中的一颗脉冲星,又名NP 0532。这是最年轻的已知脉冲星,是1054年从地球上看到产生了蟹状星云的超新星爆发形成的。它的自转周期已用光学天文、射电天文和X射线天文方法探测到,均为0.0331秒。 NP 0532发现于1967年。  
craters环形山在月球表面、类地行星、地球本身和巨行星的许多卫星上看到的碗形凹地。极少数环形山可能产生于火山活动,但绝大多数是来自太空的固态天体(流星体)撞击行星和卫星而形成。 环形山的大小决定于撞击天体的大小。有些环形山宽阔只有1米左右,最大的环形山直径超过1 000公里。造成环形山的流星体实质上是太阳系形成过程遗留的碎片,它们因与行星和卫星碰撞而不断被清除,所以环形山的形成在碎片较多的太阳系年轻时期比较频繁,不过今天仍在继续。 在地球和金星上,大气活动(还有地质活动)造成严重侵蚀,所以只有不久前形成的环形山清晰可见(见巴林格陨星坑);在火星上,尽管大气很稀薄,最古老的环形山也已经被侵蚀干净了。但在无大气的天体上,如月球和水星。环形山形成的全部迹象都保存下来,它们的表面有很多过去40亿年间重复撞击造成的重叠环形山,其中大多数是30~40亿年前形成的。 在地球上,大气起着保护作用,它使质量小于100吨左右的流星体减速,相当多物质因与大气摩擦生热而烧掉。一个大气外质量为1 000吨的流星体在它撞击地面时将减少到300吨,典型撞击速率为5公里每秒。这样的撞击将造成一个直径150米的环形山。  更厉害的撞击也发生过,而且可能还会发生(见世界末日小行星)。一个像直径近1公里的伊卡鲁斯小行星那样大的天体撞击地球,将造成超过20公里宽、2公里深的环形山。在德国发现了一个大小与这差不多的受到侵蚀的古代环形山遗迹;在加拿大、南非和西伯利亚还发现了更大的“化石”环形山。  
critical density临界密度宇宙要成为处在永远膨胀和终将再坍缩两者边界线上的平坦状态所需要的当前密度。其数值在10^-29和2×10^-29克每立方厘米之间,大致等于宇宙中明亮恒星和星系贡献的密度的100倍。见宇宙模型、暗物质。  
curvature of spacetime时空曲率产生引力的质量的存在引起的时空畸变。 弯曲空间概念是19世纪通过非欧几何学的数学研究而产生的。在阿尔伯特·爱因斯坦诞生前25年的1854年,伯恩哈德·黎曼(Bern- hard Riemann)第一个提出,自我封闭宇宙中的空间可能弯曲成三维弯曲球面的等价物。英国数学家威廉·克利福德(William Clifford)信奉并发扬了这一概念,他领悟到,除整体宇宙的总曲率外,还可能有他比作“小丘陵”的局部畸变。  1905年发表的爱因斯坦狭义相对论用一个数学描述把时间和空间统一起来。1908年赫尔曼·闵可夫斯基(Hermann Minkowski)证明这等价于一个四维欧几里得几何学的描述,所以空间和时间结合成的时空可以看成一张展平的纸的四维等价物。  1916年发表的广义相对论说明了这张“展平的纸”被物质畸变时将会发生的事。现在请把它想像为拉紧的蹦床表面;在表面上放一个重物将造成一个使时空弯曲的凹坑(这正好与克利福德比喻的小丘陵相反)。如果你在表面上滚动一个弹子,弹子将沿弯曲轨道运动,好像轨道被一个力拗弯了。这就是爱因斯坦理论中的引力作用方式——物质存在决定时空如何弯曲,时空曲率决定物质如何运动。 宇宙整体时空弯曲的可能性仍是一个未决问题(见宇宙模型),但弯曲时空概念在黑洞研究中却已经取得惊人的成就。
61 Cygni天鹅座61天鹅座中的一颗暗星,仅仅因为是离太阳最近的恒星之一,它成为第一颗测出视差(在1838年)的星而引人注意。它的视差等于0.29角秒,所以天鹅座61(它实际上是一个聚星系统,其中一颗星绕一个双星运动)的距离是3.4秒差距。所有三颗子星加在一起也只有与太阳大致相等的质量。  
Cygnus A天鹅座A从地球上用射电望远镜“看到”的银河系外最强的射电源。有些射电源本来更强,但因为离我们更远而看起来比较弱。天鹅座A是一个双源,它有两个射电噪声瓣,分别位于红移等于0.057的中央星系两边。  
CygnusX-1天鹅座X-1天鹅座中的一个几乎肯定含有一个黑洞的强 X射线源。该X射线源在一个双星中绕恒星HD 226868运动,其质量为太阳的6~15倍,远大于奥本海默-弗尔科夫极限。  
dalton道耳顿原子质量单位。
dark matter暗物质天文学家知道宇宙中的东西比我们眼睛看到的要多。对有着一双对可见光敏感的眼睛的人类来说,明亮的恒星和星系是显著的宇宙成分。直到1980年代,人们普遍认为宇宙的大多数物质可以利用它发出的光或者其他形式电磁辐射来研究。但现在已经清楚,明亮物质形态的质量远远不到宇宙质量之半。而且,占宇宙很大部分质量的暗物质,其大多数甚至可能不是制造了太阳和恒星、地球和人类的那种物质。 从1930年代以来天文学家就知道。我们自己的银河系肯定含有一些暗物质。虽然银河系的所有恒星分布在一个直径约100 000光年、厚仅2 000光年左右的薄盘(中心较厚,边缘较薄)中,它们在绕银河系中心运动的同时却不断地上下跳动。这种很像缝纫机针通过布料上下跳动的运动,是受盘中物质数量约束的。物质越多,跳动的幅度越小,因为引力对恒星的控制越紧。统计研究表明,银河系盘中的物质至少有我们看到的明亮恒星物质的两倍。 对银河系这类星系自转方式的更新近的研究(利用光谱学方法测量多普勒效应)也表明甚至存在更多的暗物质。在一个与银河系相似的星系整个盘体范围内,自转速率是不变的,这只能意味着整个明亮恒星盘体镶嵌在一个更大得多的暗物质晕中,这个晕从四面八方把明亮的星系包围在它的引力控制范围之内。此种情景颇像薄薄一片奶油在一杯搅动的黑咖啡中打转。 到1980年代中期已经知道,银河系中的暗物质总共达到我们看到的恒星形态物质的10倍。大约与此同时,对宇宙整体的研究表明,星系际空间深处隐藏着多得多的能将星系维系在星系团中的暗物质。 个别星系在星系团中的运动速率可从多普勒效应得出。星系团的整体红移是由宇宙膨胀所引起,但星系团内的星系显示稍微不同的红移,因为它们的无规运动叠加到宇宙学红移之上了。结果发现,星系在团内的运动太快,光靠我们看到的星系形态物质的引力不能将它们维持住。既然星系团维系在一起(要不它们就不会在那儿),就必定存在另外的暗物质。这些宇宙学暗物质数量大约10倍于星系本身包括暗物质成分在内的全部物质。 在整个宇宙这一最大尺度上,还可能有另外的暗物质。如果基于大爆炸的暴涨模型正确,宇宙的时空就必定非常接近平坦(见宇宙模型),整个宇宙范围内的平均物质密度应该大约等于5×10^-27千克每立方米。宇宙中的明亮物质数量只相当于这一临界密度的1%上下,即使加上为解释星系团中星系运动所要求的暗物质也只能将此数值提高到临界密度的30%。大致说来,宇宙中的暗物质至少是明亮物质的30倍,也可能多达100倍。它们是什么?它们又在哪里? 我们根据直接观测所知的所有物体——恒星、行星和人类——是由叫做重子物质(见重子)的同一种物质构成的。宇宙中重子物质的数量决定于宇宙由之诞生的大爆炸宇宙火球中的条件。对作为大爆炸余辉的背景辐射的研究,和形成于宇宙年轻时期的极年老恒星中氦数量的光谱测量,对已经形成的重子物质的可能数量提出了严格的限制。总的说来,重子物质数量可能达到明亮恒星形态物质的10倍之多,但不能再多了。 这表示我们银河系的全部暗物质都可能由与构成你的身体、或地球、或太阳的原子同类的物质组成。但宇宙尺度上的暗物质不可能是重子物质。 我们银河系中大量重子物质成为暗物质的途径有两条。恒星发光是因为内部核聚变反应把轻元素(氢是典型代表)变成较重元素(氦是典型代表)并在此过程中释放能量。但这些聚变反应只有当恒星具有足够质量,能把内部的氢压缩到足以克服带正电荷的原子核相互排斥倾向,才可能触发。 制造一颗恒星的临界质量介于太阳质量和太阳系最大行星木星的质量之间,而木星质量只有太阳质量的0.4%。一个天体若其质量小于太阳质量的大约8%,它在自身引力作用下收缩时仍然能变得很热,但却永远不会热到能触发核燃烧。它将成为一颗表面温度永远不能高于2 000K、亮度永远不会大于太阳亮度百万分之一的褐矮星,然后再衰减成完全不可见的黑矮星。 第二条途径比较壮观但不太可信。有些天文学家认为,当我们的银河系很年轻时,巨大的物质云可能已经坍缩成了星系体。这是一种质量极大的天体,它们很快走完生命历程而后爆发,留下一个大质量黑洞。这种黑洞应该看成是重子物质,因为它们本来就是由恒星构成的。每个这样的黑洞含有数百万倍于太阳的质量——但如果它们真的存在过,它们就应该对星系结构产生了可察觉的影响(如星系自转远不会那样平滑),但这种影响却看不到。 这两种类型的暗天体在银河系中居统治地位,并把银河系牢牢控制在其引力束缚之下。天文学家称它们为“大质量致密晕族天体”,并给它创造了一个相当不错的缩略语MACHO(或马乔体,“MACHO”是英文“Massive Astronomical Compact Halo Objects”的首字母缩略词,而“macho”是西班牙语,意为“强壮男子”、“雄武的”)。有些来自引力透镜效应的证据表明,我们银河系的晕中确实存在MACHO。 可是,将星系团维系在一起并使时空平坦的非重子物质又是什么呢?它们现在已经有好几种名称了。总的名称是弱相互作用大质量粒子——WIMP(或温普粒子,“弱相互作用大质量粒子”的英文是“Weakly Interacting Massive Particles”,“WIMP”乃其首字母缩略词)。这表示它们是一种具有质量,因而有引力作用,但与普通重子物质作用微弱的物质。WIMP又分为两个(假设的)类型。产生于大爆炸、运动速率比光慢得多的WIMP叫做冷暗物质,或CDM。产生于大爆炸、运动速率接近光速的WIMP叫做热暗物质,或HDM。 妙的是,粒子物理学的大统一理论确实要求存在迄今尚未探测到的粒子,而且这些理论认为CDM和HDM这两种形式的WIMP都是可能的。于是,在最大尺度上研究宇宙的宇宙学,和在极小尺度上研究物质世界的粒子物理学,都认为 WIMP形态的暗物质应该存在。 如果宇宙中的大量物质是 WIMP形态,那将对宇宙年轻时期星系的形成方式产生深刻影响。 CDM粒子趋向于聚集成团,产生能够吸引重子物质(氢和氦气体)的引力“凹窝”。如果CDM在宇宙中占统治地位,星系的形成就应该是小物质凝块随着时间的推移而逐渐变大的“由小而大”过程。 反之,快速运动的HDM粒子趋向于将早期宇宙中任何开始形成的气体云炸开,就像炮弹炸毁一堵砖墙。随着HDM变冷和变慢,重子物质得以在宇宙各处扩散成巨大的薄饼状物体,它们在引力不稳定性作用下破碎,这种“由大而小”过程产生的碎片便形成了星系。 这两种简单模型都不能准确符合宇宙中星系的实际图景。但是,将当前的星系成团方式,与COBE卫星观测的背景辐射涟漪所显示的宇宙中曾经存在过的不规则性相结合,则表明,大约2/3的CDM、1/3的HDM再加上仅仅1%的重子物质构成的混合物,能够产生今日所见的大爆炸宇宙中物质的分布。这就是“混合暗物质”模型或MDM模型。 这就是说,宇宙中2/3的质量是取理论要求存在却从未探测到的粒子形态。已有人给它们起了诸如轴子和引力微子等名字,还有人试图在实验室中找到这些CDM形态的WIMP。 仍有多达1/3的宇宙质量可能是HDM粒子,扮演这个角色的著名候选者就是中微子。最初中微子的质量被认为等于零,一直到1995年初,实验得出的质量上限为20电子伏。这甚至同一个质子大约10亿eV的质量相比也小得可怜,但宇宙中的中微子数量极多,大致每有一个重子就有10亿个中微子。所以,要使中微子起到宇宙学家要求在MDM模型中HDM的作用,每个中微子的质量只要5~7eV即可,这与实验定出的上限不近不远得令人着急。1995年初,洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家们宣布,他们的实验证明中微子的质量仅仅几个电子伏,这与宇宙学家所要求的准确相符;然而这一宣告没有得到(1995年5月进行的)其他实验证实。 关于中微子的大部分讨论集中在一种类型——由涉及电子的核反应产生的电子中微子。理论证明,太阳内部会产生大量电子中微子,它们流向太空,穿过地球。但是迄今的实验没有探测到理论预言那样多的中微子(见太阳中微子问题)。还有两种中微子分别与μ介子和τ粒子有关,后两者都是电子的较重对应体。物理学家早就猜想,太阳中电子中微子的短缺,是因为有些电子中微子已经转变成用现有中微子实验设备探测不到的其他类型中微子了。 中微子从一种类型转变为另一种类型仅当它们的质量很小才有可能。这对宇宙学家是好消息,而新近宣布中微子真有质量,一开始也主要是关注于可能有一类中微子的质量大约是5eV,即等于电子质量的十万分之一。这正好能够提供宇宙学家要求的20%热暗物质。但是,加利福尼亚大学圣克鲁斯分校的约尔·普里马克(Joel Primack)、洛韦尔天文台的乔恩·霍尔兹曼(Jon Holtzman)、新墨西哥州立大学的安那托利·克莱宾(Anatoly Klypin)和加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的大卫·科德威尔(David Caldwell),却发现了一个更好的解决这一问题的途径。 他们注意到,解释从太空到达地球的中微子实际观测数据的最佳办法,是让至少两类中微子具有差不多相同的质量。这能促进将中微子从一种类型变为另一种类型的“振动”。有两种与太阳中微子观测结果相符的可能性。要么所有三类中微子具有相同质量;要么μ中微子和τ中微子有相同质量,而电子中微子则轻得多且与不参加核反应的所谓“无效”中微子相伴生。根据普里马克及其同事的见解,1995年初探测到中微子质量的实验,可以用第二种而不能用第一种可能性来解释。 这意味着,提供宇宙中热暗物质的,不是质量5eV的单一品种中微子,而是质量约2.4eV的两种中微子(留出少许给电子中微子)。尤其令人愉快的是,用计算机模拟星系如何成长时,如果将20%热暗物质看成粒子数加倍但每个粒子质量减半,其结果与实际宇宙的符合程度,比全部中微子质量由单一类型粒子提供时更好。 改进实验方法争取几年之内直接测量各类中微子质量应该是可能的。当实验物理学家真的测量了这些中微子的质量,而且发现它们总计达5eV左右,那将是以暴涨、大爆炸和暗物质为基础的完整宇宙学体系的最伟大胜利。而宇宙学家竟在粒子物理学家得以测量之前,就预言了已知最轻粒子(光子这种无质量的粒子除外)的质量。 不管实验的结果如何,也不管混合暗物质模型的命运怎样,无可怀疑的是,我们银河系的大部分物质是暗物质,可能是重子物质;而将星系团维系在一起的10倍于我们在明亮星系中所见的质量则决然是非重子的。

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