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太空10大奇景:反物质、黑洞、星系相食及真空能量、大爆炸理论

2016-03-09

摘要: 太空中有很多奇特的事物和现象,SPACE.com将主要介绍其中10个最为奇特的景象——包括暗物质、星系相食和类星体等。

太空奇景前10

宇宙空间是个匪夷所思的所在,接下来随我去看看这些宇宙奇景吧。

反物质

就像超人有他的邪恶化身比扎罗(Bizzaro)一样,组成正常物质的粒子也有自己的另一面。举个例子,电子有负电荷,而其对立面则是正电荷。按照爱因斯坦质能等价理论1,物质与反物质相互碰撞时,二者会按E=mc2的方程式转化成纯能量。一些未来主义的宇宙飞船设计就采用了反物质引擎。

微黑洞

如果最新的“膜宇宙”万有引力理论成立,那就是说太阳系中散布着成千上万个微型黑洞,每个微型黑洞都只有原子核那么大。与其它较大的黑洞不同,这些微型黑洞都是大爆炸时期的遗留物,由于它们都与第五度空间有着密切联系,所以都对时空有着不同的影响。

宇宙微波背景

宇宙微波背景通常被称为CMB,这种放射物也是大爆炸产生宇宙时的遗留物,首次发现于20世纪60年代,当时被认为是宇宙中普遍存在的无线电噪声。CMB是从理论上证明宇宙大爆炸存在的最有力证据。最近,威尔金森微波各向异性探测器2(WMAP)进行了一系列精密测量,最终认定CMB的温度是零下455华氏度(零下270摄氏度)。

暗物质

科学家认为宇宙中大部分物质都是由暗物质组成的,但是以目前的科学技术既不能观测到其形成过程,也无法验证这一说法。科学家关于物质组成的猜想从轻质中微子到无形的黑洞,众说纷纭。有些科学家质疑黑洞的真实性,并提出,若对地心引力有更深刻的理解,就能解开关于暗物质的种种疑团了。

系外星球

20世纪90年代初期,人们所知道的行星还只限于太阳系中那熟悉的几颗。到2010年11月,天文学家已经观测到500多颗太阳系外行星,从不能称之为星球的庞大气团到绕昏暗的红矮星3运转的体积较小的岩石星球,真是五花八门。科学家仍在继续寻找第二个地球。天文学家普遍认为利用更为完善的科学技术我们终将找到另一个与地球相似的星球。

重力波

重力波是艾伯特.爱因斯坦广义相对论所预言的时空中畸变的产物。重力波以光速传播,但是这种波非常微弱,科学家只能探测到黑洞合并(比如,上面的宇宙大爆炸)等巨大的宇宙现象中产生的重力波。激光干涉引力波天文台4(LIGO)和激光干涉空间天线5(LISA)是两款针对难以探测的重力波的探测仪。

星系相食

就像地球上的生物一样,星系之间也会“互食”并随着时间的推移进化。银河系与仙女座星系相邻,仙女座星系就正在吞噬银河系的一颗卫星。仙女座星系散布着超过12个星团,都是宇宙中星系相食的结果。上面这张图片就是对仙女座星系与银河相食的模拟,预计这种碰撞将发生在30亿年后。

中微子

中微子实质上是无质量的、呈电中性的基本粒子,它们可以穿过数英里的距离而不和任何物质相互作用。当你读到这句话的时候,就有一些这样的粒子穿过你的身体哦。这些幽灵般的粒子是由燃烧着的无害星球的内部火焰产生的,即将消失的星球上发生的超新星爆炸也会产生这种粒子。人们将探测仪嵌入海底的地下或者冰川中,冰立方6就是一个中微子探测项目。

类星体

这些明亮的光芒从我们能观测到的宇宙边缘传来,帮助科学家了解形成初期还处于混乱状态的宇宙。类星体释放出的能量比几百个星系合并释放出的能量还要多。人们普遍认为类星体是遥远的星系核心的巨大黑洞。

图为类星体3C 273,摄于1979年。

真空能量

量子力学告诉我们,与表面现象相反,真空是一个泡泡构成的“虚拟”的亚原子粒子,不断破灭又不断再生。这种转瞬即逝的粒子使得每立方厘米的空间都充满着某一种能量,根据广义相对论,这些能量产生了一种反重力的力量,能把宇宙空间隔开。然而,没人知道究竟是什么导致宇宙加速膨胀。

译者注:

1. 质能等价理论(Mass energy equivalence theory)是爱因斯坦狭义相对论最重要的推论,即著名的方程式E=mC^2,式中为E能量,m为质量,C为光速;也就是说,一切物质都潜藏着质量乘于光速平方的能量。由此可以解释为什么物体的运动速度不可能超过光速。

2. 威尔金森微波各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,简称WMAP)是美国宇航局的人造卫星,目的是探测宇宙中大爆炸后残留的辐射热,2001年6月30日,WMAP搭载德尔塔II型火箭在佛罗里达州卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心发射升空。

3. 红矮星(red dwarf):是指表面温度低、颜色偏红的矮星,尤指主序星中比较“冷”的M型及K型恒星,这些恒星质量在0.8 个太阳质量以下,表面温度为2,500至5,000 绝对温度。除太阳外最接近地球的恒星—比邻星(Proxima Centauri)—便是一颗红矮星。它们也拥有较长的寿命。质量低于0.35太阳质量的红矮星会有充分的对流,氦元素会在恒星内部均匀分布,而不会在核心累积,红矮星不会膨胀成红巨星,而逐步收缩,直至氢气耗尽。它们会保持稳定的光度和光谱持续数千亿年,由于现在宇宙的年龄有限,还没有红矮星发展到之后的阶段。

4. 引力波观测激光干涉仪 (LIGO,Laser Interferometer Gravitation wave Observatory),位于美国的 LIGO 观测所拥有两套干涉仪,一套安放在路易斯安娜州的李文斯顿,另一套在华盛顿州的汉福。在李文斯顿的干涉仪有一对封闭在 1.2 米直径的真空管中的 4 公里长的臂,而在汉福的干涉仪则稍小,只有一对 2 公里长的臂。这二套 LIGO 干涉仪在一起工作构成一个观测所。这是因为激光强度的微小变化、微弱地震和其它干扰都可能看起来像引力波信号,如果是此类干扰信号,其记录将只出现在一台干涉仪中,而真正的引力波信号则会被两台干涉仪同时记录。所以,科学家可以对二个地点所记录的数据进行比较得知哪个信号是噪声。LIGO 从 2003 年开始收集数据。它是目前全世界最大的、灵敏度最高的引力波探测所。一系列的升级计划将更进一步提高其灵敏度。

5. 激光干涉空间天线(LISA,Laser Interferometer Space Antenna),是一个由美国国家航空航天局(NASA)和欧洲空间局(ESA)合作的引力波探测计划,目前仍在设计阶段,计划于2015年投入运行,这将是人类第一座太空中的引力波天文台。LISA也是美国国家航空航天局的“超越爱因斯坦”(Beyond Einstein program)项目的一部分。“超越爱因斯坦”是一组实验上验证爱因斯坦广义相对论理论的计划,其中包含两个空间天文台(HTXS——X射线天文台和LISA)和数个以宇宙学相关观测为目的的探测器。LISA将利用激光干涉的方法精确测量信号相位,从而对于来自宇宙间遥远的引力波源的低频且微弱的引力波进行探测。这将对引力波天文学的理论和实验研究,广义相对论的一些实验观测以及早期宇宙的天体物理学和宇宙学研究有重要意义。

6. IceCube中微子探测器是位于南极阿蒙森-斯科特站冰盖以下的三维大气簇射阵列,由美德等10国共同建设维护,主要目标用来探测地外高能中微子源,为理解高能宇宙射线打开一扇新的窗口。IceCube单个DOM探测器以分布在冰面上的1平方公里的探测器 (81个站点,324个探测器) 组成的IceTop部分;在冰面下方,是由一系列“绳索”悬吊着的一系列探测器,这些探测器在冰面以下1.45到2.45公里处组成的1立方公里的探测器阵列 (IceCube Array),一共有86条“绳索” ,每条上面有60个光学探测器 (称为DOM:digital optical modules,数字化光学模块);其中还有被称为DeepCore的8条“绳索”上面的480个专门为探测低能量中微子优化的探测器子阵列。

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来自:  > 天文学
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