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哈勃望远镜七大科学发现

2016-12-23  鸿蒙圣主

一、星系的形成与演化

“哈勃”超深场照片,显示的是天炉座的一小部分天区,拍摄于2003年9月24日至2004年1月16日,累计曝光时间11.3天,是迄今人类获得的最深远的宇宙影像。照片中显示的是130多亿年前的宇宙,其中有近10000个星系,年龄在4~8亿年间。

星系是构成茫茫宇宙的基石,它们的形成与演化,是探索宇宙之谜的过程中不可回避的重大问题,也是“哈勃”的首要任务之一。在其他天文台的共同协作之下,“哈勃”已经对天空中的几块小片区域哈勃深场(Hubble Deep Fields)、哈勃超深场(Hubble Ultra Deep Field)和大天文台宇宙起源深空巡天(Great Observatories Origins Deep Survey)进行了长时间的曝光,第一次将最遥远因而也最古老的星系带到了我们眼前。这些超精细的图片揭示出了早期宇宙的细节。当时宇宙的年龄仅有几亿年,大约是现在宇宙年龄的5%。与现在的星系相比,那时的星系尺寸较小,形状更不规则。由此可见,今天的星系是由较小的星系聚集而成,而不是恰好相反,由较大的星系分裂而来,“哈勃”所拍摄的照片成为建立现代星系形成模型的关键。

除了研究遥远的年轻星系以外,“哈勃”还研究了星系形成过程中遗留下来的蛛丝马迹。在“哈勃”的高分辨锐眼下,遥远星系中的单个恒星被分解出来,它们的颜色和亮度包含了其年龄和化学组成的信息,使得天文学家可以推测出星系中的恒星形成历史。天文学家认为,较大的星系,例如银河系和仙女座大星系(Andromeda),是通过吞并较小的星系成长起来的。2003年5月7日,“哈勃”对仙女座大星系外围的星系晕(星系晕是包裹在主星系盘周围的稀薄的球状结构,由恒星和星团构成)中的恒星的观测表明,其中恒星的年龄千差万别:最古老的有110亿年到135亿年,最年轻的只有60亿年到80亿年。相比之下,年轻的恒星就像是老人院里的小孩,它们一定是从其他地方游荡过来的:可能来源于一些更为年轻的星系(例如后来被吞并的卫星星系),也可能来自仙女座大星系本身一些比较年轻的区域。而与此相反,我们银河系的恒星晕并没有包含大量相对年轻的恒星。因此,尽管仙女座大星系和银河系外形相似,但哈勃的数据暗示,这两个星系的成长史迥然不同。这一发现大大加深了我们对星系形成的理解。

二、发现宇宙加速膨胀

哈勃”拍摄的三颗遥远超新星爆发前后的图像,从左至右分别为SN 1997ck、SN 1997ce、SN 1997cj,其距离都在几十亿光年之外。这类超新星透露出了宇宙膨胀的信息。

1998年1月8日,美国哈佛-施密松天体物理中心Peter Garnavich博士领衔的研究小组利用“哈勃”观测到的遥远超新星数据,公布了一项惊人发现:我们的宇宙正在加速膨胀!不久后另一个研究组也独立地作出了这一发现,在当时的天文界引起了轰动。人们过去总是假设,宇宙的膨胀必定是减速的,因为星系会通过引力彼此吸引,这应该会阻碍它们的分离,而且从理论上看,自从宇宙大爆炸之后经历过短暂的“暴胀”(宇宙空间在极短时间内急剧增大)期后,宇宙膨胀就必定会减速,但为什么现在它又开始加速膨胀了呢?“哈勃”的这一发现,使宇宙中最神秘的成分暗能量浮出了水面,原来正是它在驱使宇宙膨胀加速。2004年,“哈勃”又发现了16颗遥远的超新星,它们爆发的时间横跨过宇宙膨胀从减速到加速的转折点,我们因而得知转折点大约在50亿年前。天文学家将哈勃、地基望远镜和微波背景辐射的观测数据结合在一起,发现暗能量占据了宇宙总能量密度的大约3/4。

三、宇宙的年龄之谜

听起来有些令人不可思议,天文学家们怎么会知道宇宙年龄的大小?正是“哈勃”帮他们给出了答案。我们都知道宇宙正在膨胀,那么膨胀的速度是多少呢?天文学家把它称为“哈勃常数”,记为H0,并且发现它的单位是“千米/秒/兆秒差距”(km/s/Mpc)。由于“秒差距”和“千米”都是距离单位,因此哈勃常数的倒数的单位是“秒”,它所代表的意义其实是时间,也就是宇宙的年龄(更准确地说是宇宙年龄的上限)。因此只要测出了哈勃常数的大小,就能推断出宇宙的年龄。

人们早就发现,只要知道了星系的退行速度以及它离我们的距离,就可以求出哈勃常数的大小,而星系的距离,可以通过一类称为“造父”变星的特殊恒星求出。造父变星是一类光度超过太阳数千倍的变星,它们非常明亮,而且亮度变化有确定的周期性,最重要的是,这个周期与造父变星的平均光度(即其真实的发光本领)成正比,天文学上称为“周光关系”,通过它可以求出造父变星的距离(这也就是它所在的星系离我们的距离)。在“哈勃”之前,由于银河系之外的星系距离我们太远,其中的造父变星的周光关系测量精度不够,据此求出的星系距离也误差较大。得益于“哈勃”的高分辨率和它上面搭载的精细导星传感器的帮助,天文学家们直接测量出了36个星系中的许多造父变星的距离,并据此校正了“周光关系”,然后利用周光关系测量出更遥远的星系的距离,进一步确定了哈勃常数的大小为72 ± 8 km/s/Mpc,将它的准确度提高了5倍。

2009年5月7日哈勃网站报道,天文学家们通过对旋涡星系NGC4258中的造父变星和Ia型超新星的研究,再次精确测定了哈勃常数的准确值,为74.2 ± 3.6 km/s/Mpc,与之前的测量结果相近,但精度又提高了两倍。据此推断宇宙的年龄约为137亿年左右,和WMAP卫星的结果十分吻合。

四、超大质量黑洞和类星体

哈勃空间望远镜拍摄的巨椭圆星系M87核心照片,星系核心周围的尘埃盘旋转得极其迅速,如此高的动能只能来自于中心黑洞的驱动。

该黑洞质量高达30亿倍太阳质量,而所占据的空间还不如一个太阳系大。照片中的喷流是黑洞吸积物质时激发出的高能电子流

“几乎每个星系中心都有一个超大质量黑洞”,这个如今已为天文爱好者们耳熟能详的常识,也得归功于“哈勃”的发现。1994年5月25日,天文学家们宣布,利用哈勃望远镜,在距离我们50万年远的巨椭圆星系M87中发现了星系中心超大质量黑洞存在的确切证据,从此揭开了超大质量黑洞的观测研究序幕。

此外,“哈勃”于1996年拍摄到的一系列类星体、活动星系核(猛烈活动着的明亮的星系核心)的照片,帮助天文学家们完善了类星体的“大统一模型”。类星体(quasar)是一种看起来与恒星类似的天体,但由于它们距离我们极其遥远,因此它们的发光本领要比一般的星系都强许多倍,现在的高分辨率观测已经发现,它们也是一些活动星系的核心。从20世纪60年代起,天文学家就推测出这些剧烈活动的高能天体是由正在吞噬物质的巨型黑洞所驱动的。正是“哈勃”第一次从观测上巩固并完善了这个理论。不仅如此,1997年1月13日,“哈勃”在对27个星系的详细考查后,宣布在星系中心,超大质量黑洞是普遍存在的,而且还揭示出了黑洞质量与星系核球的质量相关。

这两项相关的发现具有特别重要的意义。首先,类星体的高分辨率照片揭露了它们的藏身之处明亮的椭圆星系或者相互作用的星系。这项发现暗示,必须经由一系列特定的事件,才能将物质灌输到中央黑洞之中。其次,包裹着星系中心的核球的质量与巨型黑洞的质量紧密关联,这暗示着星系与中央黑洞的形成与演化息息相关,为人们了解这些超大质量黑洞的由来指明了方向。

五、太阳系外的行星

早在1994年,“哈勃”就在猎户座大星云的恒星形成区发现有许多年轻恒星周围都存在薄薄的尘埃盘,这一发现证实了之前理论学家关于行星形成的推测,并且表明恒星周围存在行星系统是很常见现象,从而开启了系外行星的研究之门。

2008年11月13日,“哈勃”更进一步,宣告首次直接拍摄到一颗太阳系外行星绕恒星运动的轨迹,表明系外行星研究取得实质性突破。“哈勃”拍到的这颗行星与太阳系中的木星类似,质量不超过木星质量的3倍。它围绕其母恒星南鱼座中的最亮星北落师门运行,每872年绕行一圈。北落师门距地球仅25光年,年龄在2亿年左右。“哈勃”还发现,环绕“北落师门”的尘埃盘跨度大约为350亿千米,有十分明显的内边缘。

此外,“哈勃”近几年还创造了多个关于系外行星的第一:第一次获得恒星HD209458周围行星的大气成分、第一次发现系外行星上的二氧化碳、第一次发现系外行星大气中的有机分子。

尽管现在人们尚未发现第二个“地球”,但由“哈勃”开启的发现之旅已经给了我们无比的信心,它的后继者必将实现这个梦想。

尽管“哈勃”的官方网站非常谦虚地只列出了上述5个方面的重大发现,不过我认为至少还有2大发现也是值得与大家分享的。

六、发现暗物质存在的直接证据

在“钱德拉”空间X射线望远镜和哈勃空间望远镜及地面大型望远镜的的通力合作下,一群美国天文学家对子弹星系团(BulletCluster)进行长达几个月的观测后,于2006年8月21日宣布第一次“看”到了暗物质。子弹星系团是一种不同寻常的宇宙结构,它实际上是两个星系迎面相撞并彼此穿越而形成的。两个星系团以每小时近两亿千米的高速撞到一起,它们内部包含的发光物质由于相互间存在引力之外的相互作用力,在相互挤压的过程中速度减慢了。

但是两星系团中的暗物质之间没有这种作用力,它们并不减速,而是畅行无阻地直接穿过对方。结果暗物质跑到了发光物质的前面,于是每个星系团就分成了两部分:暗物质在前,发光物质在后。暗物质与普通物质分离后就易于捉摸了,天文学家们最终通过其他的物理效应确认了这两团暗物质的存在,这是暗物质在20世纪30年代提出以来第一次显露正身。这一发现证实了暗物质并不是占据星系团中普通物质主导的气体成分,而且也说明了暗物质更像是一种只参与引力作用而不参与电磁过程的“无碰撞”粒子。所以,尽管还不知道暗物质是什么,但“哈勃”和其他望远镜的观测使得我们在大尺度上了解了它的行为和特性。

七、恒星的豪华葬礼

在20世纪建立并完善的恒星形成与演化理论,是天文学上最伟大的成就之一,但对今天的恒星天文学家来说,还有一些细节,诸如大质量恒星的死亡、行星状星云的形成等等,由于观测条件的限制并未彻底弄清。又是“哈勃”再次为人们带来了希望。

和那些质量较大的恒星不同,像太阳这样的恒星会以一种相对温和的方式走向死亡:它们通过一种非爆炸的过程,将自己的外侧气体包层抛射出去,将炽热的中央核心逐渐暴露出来,它发出的辐射会使周围被抛射出去的气体电离,发出鲜亮的绿色(由电离氧发射)和红色(电离氢)光芒,形成所谓“行星状星云”。行星状星云的持续时间仅一万年左右,和恒星的寿命相比(太阳约为100亿年)可谓微不足道,因此从观测的角度来看,它们的数量显得非常稀少,今天已知的行星状星云只有两千个左右。“哈勃”以空前的精度,揭露出它们格外复杂的形状。令人惊奇的是,尽管恒星本身是近似球形的,但是这些由恒星抛射物质而成的行星状星云却没有一例呈球形分布。理论学家认为是一类非常准直的“喷流”塑造了这些结构,它们就是恒星自转、磁场或伴星引力共同作用等复杂物理过程下产生的星风。直到2003年11月,“哈勃”在正在步入死亡的长蛇座V星中首次观测到喷流,才终于证实了这一理论。

“哈勃”的研究遍及了当今天文学的各个领域,除了上面提到的7个方面,还有太多不可不提的功绩,例如1994年彗木相撞时,“哈勃”拍摄的一系列不可再现的珍贵照片,如今已成为全人类的宝贵文化遗产,今后所有关心宇宙碰撞的学者和公众都会继续从中收益;“哈勃”关于宇宙中的气体的研究,帮助人们了解了重子物质的组成和空间分布以及不同元素是如何通过恒星被抛射进气体云的,为了解像太阳系这样的行星系统中的元素来源提供了重要资料;“哈勃”还发现了两颗冥王星的新卫星、首次确认阋神星(Eris)的准确大小(2385千米)略大于冥王星的2275千米,因而直接促进了2006年8月的天文学家投票表决冥王星地位事件。

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