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奇异的宇宙


1915年,阿尔伯特·爱因斯坦发表了广义相对论。根植于对引力的全新理解,他的理论预言了一个奇异而宏大的宇宙图景。阿尔伯特·迈克尔逊称广义相对论是“科学史上前所未有的科学思想革命”。

尽管今天我们将所有与广义相对论有关的发现都归功于爱因斯坦,但实际上广义相对论所带来的比爱因斯坦愿意或能够看到的多得多。在过去的一百年里,那些甚至连爱因斯坦都不愿意承认的疯狂预言,被一一验证。

曾经,我们认为是宇宙是静态、有限的空间,但实际上它一个动态的、不断膨胀的舞台。这个舞台的浩瀚,以及在台上出演的角色和数量,都是一百年多年前的科学家根本无法想象的,例如:

  • 可观测宇宙中包含了数千亿的星系

  • 星系内又包含着数以亿计的恒星行星

  • 恒星在生命的末期会根据其质量演变成不同的致密天体:白矮星中子星黑洞

  • 白矮星会吞噬伴星的物质,最后形成超新星爆发;

  • 致密天体之间的碰撞会震颤时空,从而释放出巨大的能量;

抬头仰望星空,我们看到的是一片宁静平和的宇宙,但在强大望远镜的帮助下,我们可以窥探到宇宙时刻都在上演着精彩绝伦的情节。现在,让我们进入到广义相对论所描绘的奇异却绚丽无比的宇宙,而我们的第一站是宇宙中最神秘的天体

什么是黑洞?

圣奥古斯丁曾说过:“那么时间是什么呢?如果没有人问我,我知道它是什么。如果我想要向某个问我的人解释,那我就不知道了。” 

黑洞亦是如此。当你询问物理学家什么是黑洞时,你会发现不同领域的物理学家会给出不同的定义。从天体物理学的角度看,黑洞是一个致密天体,是一个任何东西(包括粒子和光)都无法逃逸的区域,以及巨大的能量输出引擎。

黑洞的诞生可追溯到1783年,当时英国自然哲学家约翰·米歇尔详细计算了宇宙中是否存在一种引力大到连光都无法逃逸的“暗星”。不久后皮埃尔-西蒙·拉普拉斯也独立地提出了相似的构思。但是,在后来长达一百多年的时间里,他们的工作都被遗忘了。直到1916年1月13日,也就是爱因斯坦完成广义相对论的不到两个月后,卡尔·史瓦西的工作才使黑洞的真实性有了坚实的理论基础。而在接下来的100多年,黑洞逐渐从理论和科幻小说中,走向了现代天文学舞台的中心。

图片素材来源:ICRAR,ESO/MPE/Marc Schartmann,EHT,Wikimedia Commons

随着收集到越来越多的观测数据,天文学家也确认了越来越多的黑洞,包括了由大质量恒星在生命末期坍缩形成的恒星级黑洞,双黑洞并合形成的中等质量黑洞,以及隐藏在星系中心的超大质量黑洞。目前,黑洞领域的研究非常活跃,研究课题包括:

  • 探索恒星级黑洞是如何在超新星爆发中形成的,以及超大质量黑洞是如何在星系形成的过程中诞生的;

  • 测量黑洞的质量和自旋;

  • 验证事件视界的真实性;

  • 研究物质落入黑洞时能量释放的确切过程;

  • 研究围绕黑洞周围的吸积盘,以及吸积盘是如何触发相对论喷流的产生;

  • 来自超大质量黑洞的能量和动量反馈,以及它们对星系演化的影响;

  • 比较银河系中心的超大质量黑洞和其他星系中心的黑洞;

然而,在所有黑洞相关的研究中,最引人注目的是在黑洞之中或许隐藏着极为关键的线索,指引着科学家找到一个统一一切的万有理论

图片素材来源:Science,Gabriel Perez Diaz, Instituto de Astrofisica de Canarias ,Wikimedia Commons



黑洞已经足够令人着迷了,但更令人惊叹的是它们在相遇、靠近、并合时,会搅乱时空,释放出时空的“涟漪”——引力波。它不仅可以通过巨大的碰撞产生,也可以通过爆炸或其他加速物体产生。

早在1916年,爱因斯坦就预言了引力波的存在,只是他认为我们几乎不可能在地球上探测到。到了上个世纪50年代,当其他人仍然在争论引力波是否真实存在时,物理学家约瑟·夫韦伯就已经投身于引力波的探测之中。1969年,他宣布探测到了一个明显的信号,可能来自超新星,也可能来自脉冲星,但他的发现从未被证实。1974年,罗素·赫尔斯约瑟夫·泰勒首次发现了脉冲双星系统,通过观测双星的轨道如何随时间变化,他们间接证明了引力波的存在,与广义相对论预言的一致。

2015年9月14日,来自13亿光年之外的并合黑洞所辐射出的引力波终于抵达地球,导致了极其微末的时空摆动——比原子核还要小1000倍。要探测到如此小尺度的变化是极具挑战性的,但激光干涉引力波天文台(LIGO)不负众望,在多年的努力之下终于首次直接探测到了双黑洞并合辐射出的引力波。

 当引力波抵达地球后,会造成非常轻微的拉伸和挤压。

在接下来的几年中,LIGO和Virgo(室女座引力波天文台)还探测到了双中子星并合事件。与双黑洞并合不同的是,双中子星并合不仅会辐射出引力波,还会产生电磁波,这意味着多信使天文学时代的崛起。随着越来越多的引力波的到来,天文学家正揭开引力波所带来的丰富的宇宙信息。我们也将期待下一代的(地基或天基)引力波天文台将带来的再一次飞跃。

图片素材来源:Science News,Wikimedia Commons


广义相对论不仅预言了黑洞和引力波,还预言了引力本身是大自然赋予我们观测宇宙的绝佳放大镜

1919年,爱因斯坦成为家喻户晓的名字,因为科学家在日食期间测量到了光线在经过太阳时会发生偏折,这正是爱因斯坦所预言的。然而,那时爱因斯坦还没有意识到,引力不仅能够弯曲光,还能表现的像透镜一样。就像放大镜可以弯曲光线产生多重图像,或者将光线聚焦产生比原来更大的图像,空间中的大质量物体也可以弯曲和聚焦更加遥远物体的光。


 引力透镜的基本原理。

与黑洞和引力波相比,引力透镜是一个并不是那么疯狂的预言,但它绝对是理解宇宙演化的无价工具。

<<<<左滑查看引力透镜的妙用<<<<

图片素材来源:NASA,ESA,Wikimedia Commons

今天,我们已知的宇宙仅为5%,而占宇宙95%的暗物质暗能量完全是个谜,引力透镜是探索它们的重要工具。例如,暗能量巡天(DES)通过引力透镜来研究暗能量;薇拉·鲁宾天文台将通过引力透镜来绘制暗物质在宇宙中的分布。

图片素材来源:Wikimedia Commons

现在,让我们回到宇宙自身,它有开端吗?它是永恒存在的吗?

1917年,爱因斯坦将广义相对论应用于了宇宙学研究上,标志着现代宇宙学的开端。他的计算结果表明了宇宙并非他预期中的是静态的,为此他还方程中引入了一个可以保持宇宙静止的项——宇宙学常数。上个世纪20年代,亚历山大·弗里德曼通过求解爱因斯坦场方程,找到了一个描述宇宙随时间膨胀或收缩的解,这是爱因斯坦不愿意相信的结果。直到1929年,埃德温·哈勃通过观测发现,那些距离我们越是遥远的星系,远离我们的速度就越快。这表明宇宙确实是在膨胀。

纵观宇宙的历史,其实就是一个膨胀的历史。约翰·惠勒将宇宙膨胀称为是“科学界迄今作出的最惊人的预测。

在弗里德曼求得方程解的几年后,乔治·勒梅特也得出了一个膨胀的解。他继续推理,一个膨胀的宇宙必然始于一个更小的过去——一个“原初原子”。之后,乔治·伽莫夫等人继续发展了这一思想,也就是我们今天所谓的大爆炸理论。大爆炸理论的关键证据来自1964,当时天文学家阿尔诺·彭齐亚斯罗伯特·威尔逊意外地发现了大爆炸所预言的宇宙微波背景——大爆炸的余晖,形成于大爆炸后的约38万年。通过精确地测量宇宙微波背景,天文学家可以估算出宇宙今天的年龄,约138亿年!


宇宙微博背景,图中不同的颜色表示这非常微小的温度涨落。| 图片素材来源:ESA/The Planck Collaboration

然而,传统的大爆炸理论却面临了一些无法解释的难题,比如宇宙微波背景上相隔非常遥远的两个点,为何具有相同的温度?计算表明,自大爆炸以来,并没有足够的时间可以让宇宙中的任意两个地方可以实现这种热平衡。到了上个世纪80年代初,阿兰·古思提出了一个想法,他认为如果在大爆炸后的瞬间,宇宙经历了一段极其快速的膨胀——暴胀时期,那么许多问题便都迎刃而解。虽然有许多证据支持暴胀理论,但它还没有被最终证实,仍然有一些物理学家对它持怀疑态度。

到了20世纪末,当天文学家在搜寻宇宙中的超新星爆发时,最终发现宇宙不仅在膨胀,而且是在加速膨胀。宇宙加速膨胀的幕后推手今天也被称为暗能量,一些物理学家认为它与爱因斯坦曾提出的“宇宙学常数”有关。对暗能量的理解,也将帮助我们更好的理解宇宙的终极命运。

一百多年过去了,广义相对论所描绘的奇异景象一次又一次的带给我们惊奇。在震惊之余,我们需要记住的是宇宙中还有许多的未知等待被探索,比如暗物质和暗能量仍未被“缉拿归案”,落入黑洞中的信息的最终命运尚未被确定,广义相对论如何与描述微观世界的量子力学相结合。这些大难题都将是科学家为之奋斗的目标。

 创作团队  
选题来源:Science News
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来自:人老颠东  > 宇宙学
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