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探索宇宙30年

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发表于 2020-4-26 09:33 | 显示全部楼层 |阅读模式
探索宇宙30年

原理
2 days ago

The following article is from 新原理研究所
Author 新原理



视觉盛宴

1990年4月24日,哈勃太空望远镜HST)承载着人类对探索太空的期望,成功地发射升空。在过去的30年中,它所达到的成就早已远超预期。从黑洞,到最遥远的星系,再到宇宙加速膨胀,HST一次次突破性的发现几乎改变了天文学和天体物理学的所有领域。

如果要罗列出HST的所有贡献,那将会是一张很长的列表,这里我们仅列出10个具有代表性的发现。但在此之前,让我们先来感受一下HST“眼中”的宇宙:


                               
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10大发现


                               
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追踪小行星带的演化

在太阳系中,除了我们熟知的太阳和行星之外,还存在着大量的小行星。这些小行星不仅会撞击木星或地球这样的行星,它们也会相互碰撞。通过HST,天文学家观测到了这样一次撞击,它就发生在火星和木星之间的小行星带上。长期以来,天文学家一直认为小行星带正在被碰撞侵蚀,但此前他们从未真正见过这样的撞击事件。

在对小行星带的另一次观测中,HST还发现了一个独特的物体:一颗小行星有着六个彗星状的尘埃尾巴,它们像车轮辐条一样从小行星上辐射开来。这颗小行星不同寻常的外观让天文学家感到惊讶。其他所有已知的小行星看起来都不过是微小的光点,但这颗小行星看起来就像是一个旋转的草坪洒水器。对小行星的计算机模拟结果表明,这些尾巴可能是由一系列尘埃喷射事件形成的。


                               
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○ 小行星P/2013 P5与其他的小行星完全不同,其尘埃尾巴向多个方向辐射。随着时间的推移,它的外观也发生了变化。| 图片来源:NASA, ESA and D. Jewitt (UCLA)


                               
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研究外行星及其卫星

外行星是太阳系内轨道在主小行星带外侧的行星,包括木星、土星、天王星和海王星。

木星因它表面的大红斑而闻名,大红斑是一场巨大的风暴,大小与地球相当!在过去80年里,这场巨大风暴的规模一直在缩小。天文学家现在经常使用HST来测量这个红斑的大小,并研究它为什么正在慢慢消失。HST还拍摄到了在木星和土星的南北两极处的绚丽极光。


                               
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○ 木星的大红斑正在缩小。| 图片来源:NASA、ESA、A. Simon

木星的卫星为寻找地球以外的生命提供了重要线索。HST通过探测太阳系中最大的卫星——木卫三自身极光的相关活动,为木卫三上存在地下咸水海洋提供了最佳证据。科学家认为,这个地下海洋的含水量比地球表面所有的水都要多。

HST还记录了木星的卫星——木卫二表面大气层短暂变化的证据。天文学家怀疑,这些扰动是由地下海洋喷出的缕缕气体引起的。无论是寻找地球以外的可栖居地,还是寻找我们所知的生命,确定液态水都是至关重要的。


                               
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探索太阳系的边缘

在探测太阳系外围的矮行星冥王星时,HST发现,有四颗此前不为人知的卫星在围绕着这颗冰冷的星球运行。首先发现的是小卫星Nix和Hydra,然后是更小的Kerberos和Styx。天文学家最近发现,Nix和Hydra在围绕冥王星旋转时,它们的轨道非常混乱且不可预测。


                               
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○ 哈勃太空望远镜发现了冥王星的四颗卫星。| 图片来源:NASA, ESA, and M. Showalter (SETI Institute)

向更远的地方望去,直到我们太阳系暗淡的外部区域,HST发现了柯伊伯带中的一些物体,其中两个被发现的小行星为PT3和Arrokoth。

HST还发现了一颗直径100英里的卫星,它围绕着柯伊伯带中第二亮的冰冻矮行星鸟神星运行。奇怪的是,这颗昵称为MK 2的卫星暗如黑炭,而鸟神星却亮如白雪。


                               
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探索恒星的诞生

HST的红外探测器穿透了巨大的、由气体和尘埃组成的湍流云,那里孕育着成千上万颗恒星的生命。HST对这些星云的观测揭示出由年轻的、异常明亮的恒星辐射塑造出的奇异景观。观测表明,恒星的诞生是一个剧烈的过程,会产生强烈的紫外线辐射和冲击波。辐射会清除掉孕育恒星的云团中的空洞,并侵蚀孕育新生恒星的巨大气体柱中的物质。


                               
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○ 诞生恒星的摇篮。| 图片来源:NASA, ESA, and M. Livio and the Hubble 20th Anniversary Team (STScI)

HST还以前所未有的细节捕捉到了年轻恒星发出的高能气体喷流。这些喷流是气体旋转进入新形成恒星的副产物,其中一些会受到磁场引导,从旋转恒星的两极以超音速向相反方向喷射。由于HST运行了很长时间,天文学家得以看到这些喷流的运动以及它们的形状随时间的变化。想要解开形成喷流变化的复杂物理过程,以及更好地理解新生恒星周围的环境,测量和研究这些变化都具有巨大的价值。


                               
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行星形成的地带

当恒星诞生后,在它的周围会形成尘埃盘,行星就是在盘中形成的,这已经被HST确认。HST首次解析了明亮的猎户座星云中近200颗恒星周围的原行星盘。通过观察附近天空中其他地方的恒星,HST完成了对恒星周围的岩屑盘规模最大、灵敏度最高的可见光波段的成像调查(岩屑盘由尘埃和岩屑组成,可能是行星形成时遗留下来的物体彼此碰撞造成的)。

长蛇座TW和绘架座β这两颗特殊的恒星说明了这些发现。用一个遮罩阻挡住恒星的强光之后,在围绕长蛇座TW旋转的由气体和尘埃组成的巨大原行星盘中,科学家通过HST发现了一个神秘的缝隙。这个缝隙很可能是由一颗正在生长,却还不可见的行星造成的,行星在引力作用下扫除掉物质,像扫雪机一样在圆盘上划出一条窄道。


                               
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○ 这张哈勃图像(左)显示了一个由尘埃和气体组成的原行星盘的缝隙,它围绕着附近的红矮星长蛇座TW旋转。| 图片来源:NASA、ESA、J. Debes、H. Jang-Condell、A. Weinberger、A. Roberge、G. Schneider 和 A. Feild

天文学家也注意到了围绕绘架座β的行星盘的变化。通过遮蔽这颗恒星的光线,科学家研究了由于一颗巨大的行星内嵌到尘埃盘中引起的轨道物质的变化。


                               
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记录恒星的死亡

当类似太阳的恒星步入生命的最后阶段时,就会形成行星状星云。之前来自地面望远镜的照片表明,行星状星云大多是简单的球形。然而HST捕捉到了这些天体的前所未有的细节,结果表明它们的形状实际上更加多样和复杂:有些像风车,有些像蝴蝶,还有一些像沙漏。这些图像让天文学家得以洞察恒星在坍缩形成白矮星之前释放外层气体时的复杂动力学。


                               
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行星状星云。| 图片来源:NASA
比太阳质量大得多的恒星则有非常不同的结局,它们会产生超新星爆发。HST对超新星1987A的观测,揭示出有三个神秘的物质环围绕着中间的那颗注定死亡的恒星。HST还发现了中间环内部区域上的亮点,这些亮点是由爆炸时产生的膨胀的物质波撞击在圆环上形成的。


                               
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○ 超新星1987A。| 图片来源:NASA、ESA、K. France 、P. Challis、R. Kirshner


                               
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  追踪星系的演化

将近一个世纪前,当埃德温·哈勃(Edwin Hubble)观测到银河系之外的星系时,他根据星系的形态将它们分成了三类:旋涡星系椭圆星系不规则星系。现在,以他的名字命名的HST以其敏锐的视觉揭示了这些星系前所未见的细节。


                               
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○ 累积了大约11天的曝光时间,HST拍摄到了这张哈勃超深空,包含了大约1万个星系。| 图片来源:NASA, ESA, S. Beckwith、the HUDF Team

就像在剪贴簿中记录孩子的成长一样,HST捕捉了许多演化中的星系的外观。这之所以可行是因为当HST观测到越来越远的深空时,它回溯的时间也就越久远。相比于今天巨大的旋涡星系和椭圆星系,HST探测到的那些最远、最早的星系要更小,形状也更不规则。通过仔细研究在宇宙不同时期的星系,天文学家可以看到星系是如何随着时间的推移而演化的。

宇宙的演化仍然在继续。当HST瞄准距离我们250万年光年之外的仙女座星系时,天文学家发现,在引力的作用下,这个离我们最近的大星系将在40亿年之后不可避免的与银河系相遇合并,形成一个更加巨大的椭圆星系。


                               
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超大质量黑洞

HST提供了决定性的证据证明,大多数星系的中心都包含超大质量黑洞,这些黑洞的质量是太阳质量的数百万甚至数十亿倍。

黑洞不仅栖居于几乎每个星系中,而且黑洞和寄主星系的大小在某种程度上是对应的。HST对星系的统计调查显示,黑洞的质量依赖于宿主星系中央凸起处恒星的质量:星系越大,黑洞也就越大。这种密切的关系或许说明,黑洞随着星系一起生长,并且会吞噬掉星系质量的一小部分。此外,HST让天文学家第一次看到了物质围绕黑洞形成的大而平的圆盘,并为他们提供了由黑洞驱动的、以接近光速运动的亚原子粒子组成的喷流的详细图像。


                               
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○ 借助HST,天文学家证实了许多星系中心都包含了超大质量黑洞。这些巨大的黑洞周围环绕着明亮的气体和恒星。| 图片来源:Karl Gebhardt、Tod Lauer、NASA


                               
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发现看不见的物质

上个世纪,天文学家惊奇地发现,宇宙中除了我们可以看见的普通物质(比如恒星、星系等),还存在着大量无法看见的暗物质。这些物质的质量是普通物质的5倍。

虽然天文学家看不见暗物质,但他们可以通过观察引力透镜现象来探测暗物质的影响,这是因为包含暗物质的大质量星系团的引力,会使得位于星系团背后的更遥远星系的光线发生弯折和扭曲。


                               
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○ 大型星系同时包含暗物质和普通物质。这些物质的巨大引力扭曲了星系团周围的时空,导致位于更加遥远的背景星系发出的光在经过星系团时会被扭曲和放大。这种现象被称为引力透镜。| 图片来源:NASA & ESA

HST独特的敏锐视觉使得天文学家能够利用引力透镜效应来绘制暗物质在太空中的分布图。大的星系团同时包含暗物质和普通物质。通过观察大质量星系团周围的区域,天文学家可以识别出扭曲的背景星系,并根据这些扭曲的情况进行逆向计算,从而揭示出物质密度最大的地方。


                               
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宇宙正加速膨胀!

将近一个世纪前,埃德温·哈勃在测量星系的距离和速度时惊奇地发现:宇宙并不是静止的,而是在不断地膨胀,变得越来越大。哈勃测量了所谓的哈勃常数,天文学家用它来确定宇宙的年龄、大小和最终命运。但在HST之前,宇宙的年龄具有很大的不确定性,介于100~200亿年之间。如今,天文学家使用HST能够更精确地测量哈勃常数,并将宇宙的年龄确定在138亿年。


                               
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○ 一些超新星所具有的亮度可以被用来测量它们与地球的距离,从而计算宇宙的膨胀率。箭头所指的是一个遥远的超新星,图中显示了1995和2002观测到了这颗超新星的变化。| 图片来源:NASA & J. Blakeslee

1998年,当天文学家运用HST来观测遥远的超新星以测量宇宙膨胀率时,更是惊奇地发现了宇宙不仅在膨胀,而且是在加速膨胀——这一发现获得了2011年诺贝尔物理学奖。科学家将造成宇宙加速膨胀的幕后推手称为“暗能量”。尽管暗能量在宇宙的演化中扮演着极其重要的角色,但它的性质仍然完全是个谜团。


                               
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自升空以来,哈勃太空望远镜创造了许多的奇迹。但正如所有伟大的事物一样,它的探索之旅也并非一帆风顺。在30年期间,它也遇到过重大的危机,幸运的是,在它背后的科学家们一次又一次地克服了许多巨大的难题,使它能够继续书写传奇。

感谢哈勃太空望远镜,使我们能够看到如此精彩非凡的宇宙。




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