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天文学中的难题,简析宇宙十大奥秘

2023-04-21 19:32:40 1103

摘要:有哪些关于宇宙的紧迫问题至今仍困扰着天文学家?银河系这样的星系是如何以不可持续的速度形成新恒星的,这是令天文学家感到困惑的诸多谜团之一。(美国航天局/喷气推进实验室) 1.什么是费米气泡?图解:黑洞、费米气泡和银河,图源:universet...

有哪些关于宇宙的紧迫问题至今仍困扰着天文学家?

银河系这样的星系是如何以不可持续的速度形成新恒星的,这是令天文学家感到困惑的诸多谜团之一。(美国航天局/喷气推进实验室)

1.什么是费米气泡?

图解:黑洞、费米气泡和银河,图源:universetoday

不,这不是一种罕见的消化系统疾病。这些气泡是巨大而神秘的结构,从银河系中心发出,在银河系平面上下延伸约2万光年。这种奇怪的现象在2010年首次被发现,它是由肉眼看不见的高能伽马射线和x射线辐射组成的。科学家们推测,伽马射线可能是被银河系中心的大黑洞吞噬的恒星发出的冲击波。

2.矩形星系

图解:被发现的罕见矩形星系,图源:universetoday

“看,抬头看天空!”这是一个……矩形?早些时候,天文学家在大约7000万光年之外发现了一个天体,其外观在可观测宇宙中是独一无二的:LEDA 074886星系的形状或多或少有点像一个矩形。虽然大多数星系的形状都像圆盘、三维椭圆或不规则的液滴,但这个星系似乎有一个规则的矩形或菱形外观,有人推测这种形状是由两个螺旋状星系的碰撞造成的,但目前真实情况并不明确。

3.月球的磁场

图解:月球的分层和设想磁极图,图源:universetoday

月球最大的谜团之一——为什么只有部分地壳可能有磁场——这已经让天文学家着迷了几十年,甚至激发了在小说和电影《2001太空漫游》中神秘的“巨石”的灵感。但一些科学家最终认为他们可能有一个解释:研究人员利用计算机模型分析了月球的地壳,他们认为,月球的磁场可能是45亿年前一颗直径120英里的小行星撞击月球南极时留下的遗迹,那次撞击使磁性物质四处散落。不过,也有人认为,磁场可能与其他更小、离现在更近的撞击有关。

4.为什么脉冲星会发出脉冲?

图解:脉冲星的磁极模型,图源:universetoday

脉冲星是距我们很遥远的、快速旋转的中子星,它们每隔一定的时间发射一束电磁辐射,就像灯塔旋转的光束扫过海岸线一样。尽管1967年就发现了第一颗脉冲星,但几十年来,科学家们一直在努力弄清楚是什么导致恒星发出脉冲信号,以及是什么导致脉冲星偶尔中断发射脉冲信号。不过在2008年,当一颗脉冲星突然关闭脉冲580天时,科学家的观测结果使他们能够确定“开启”和“关闭”周期在某种程度上与减缓恒星自转的磁流有关。天文学家仍在努力探究为什么这些磁流一开始会有波动。

5.什么是暗物质?

图解:黝黑的网络状存在是暗物质,悬挂在网络的橙色区域是物质,而整个空间暗能量无处不在,图源:universetoday

天体物理学家目前正试图观察暗能量的影响,暗能量占宇宙的70%。但它并不是宇宙中唯一的黑暗物质:它大约有25%是由一种完全独立的被称为暗物质的东西组成,它对望远镜和人眼完全不可见,既不发射也不吸收可见光(或任何形式的电磁辐射),但它的引力效应在星系团和单个恒星的运动中非常明显。尽管暗物质已被证明是极难研究的,但许多科学家推测,它可能是由亚原子粒子组成的,而这些亚原子粒子与我们周围物质的构成从根本上是不同的。

如图所示,新发现的伽马射线气泡从一端到另一端延伸了5万光年,大约是银河系直径的一半。(美国宇航局戈达德太空飞行中心)

6.星系循环

图解:星系的颜色和形状在很大程度上是由环绕它的扩展光晕中的气体流动控制的。所有关于星系形成的现代模拟都发现,如果不对复杂的吸积和“反馈”过程进行建模,就无法解释星系的观测属性。星系通过吸积和“反馈”过程获得气体,然后在恒星的化学处理后将气体排出。哈勃的光谱观测表明,像我们银河系这样的星系会回收气体,而经历了快速星爆活动的星系会失去气体进入星系间空间,变成“红色和死亡”。(来源:美国国家航空航天局;ESA,太空望远镜科学研究所)

天文学家们已经注意到,星系形成新恒星的速度似乎比它们内部实际存在的物质消耗还要快。例如,银河系似乎每年都会将相当于一个太阳的尘埃和气体转化成新的恒星,但它没有足够的富余物质来长期维持这种状态。一项对遥远星系的新研究可能会给出答案:天文学家注意到星系喷出的气体会流回星系中心,如果星系循环这些气体来产生新的恒星,那么这可能是解决丢失的原材料之谜的一部分原因。

7. 锂元素在哪里?

大爆炸的模型表明锂元素在整个宇宙中应该是很丰富的,在这种情况下,这个谜团的结果显而易见:事实并非如此。通过对与大爆炸产生的物质最相似的古代恒星的观察,发现锂的含量比理论模型预测的要低两到三倍。新的研究表明,在我们的望远镜观测不到的地方,其中一些锂可能混入了恒星的中心,而理论学家则认为,轴子(亚原子粒子)可能吸收了质子,并减少了大爆炸后产生锂的数量。

外太空有人吗?

1961年,天体物理学家弗兰克·德雷克(Frank Drake)设计了一个极具争议的方程式:将有关外星生命概率的一系列术语(宇宙中恒星形成的速率、有行星的恒星所占的比例、有适合生命的条件的行星所占的比例等等)相乘。他推测,其他行星上存在智能生命的可能性极大。有一个问题:尽管有罗斯威尔的阴谋论者,我们至今还没有收到任何外星人的消息。然而,发现的遥远行星在理论上可能蕴藏着生命,这使我们又怀有了希望,如果我们继续寻找的话可能会探测到外星人。

9. 宇宙将如何终结?

我们现在相信宇宙始于大爆炸,但它将如何结束呢?根据一系列的因素,理论家们得出结论,宇宙的命运可能是几种截然不同的形式之一。如果暗能量的总量不足以抵抗引力的压缩,整个宇宙就会坍缩成一个奇点——一个大爆炸的镜像,被称为大挤压。不过,发现表明,大挤压不如冷寂更有可能发生。在冷寂中,暗能量迫使宇宙缓慢、逐渐地膨胀,剩下的只有烧毁的恒星和死亡的行星,它们在略高于绝对零度的温度下徘徊。如果有足够的暗能量来压倒所有其他的力,大撕裂的场景就会发生,所有的星系、恒星甚至原子都会被撕裂。

10. 多元宇宙论

图解:多元宇宙想象图,图源:universetoday

理论物理学家推测,我们的宇宙可能不是唯一的宇宙。这个想法是:我们的宇宙存在于一个气泡中,多个不同的宇宙包含在它们自己独特的气泡中。在这些其他的宇宙中,物理常数——甚至物理定律——可能有很大的不同。尽管该理论与科幻小说相似,但天文学家现在正在寻找物理证据:大爆炸遗留下来的宇宙背景辐射中的圆盘形图案,它可能表明我们的宇宙在与其他宇宙碰撞。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. 秦正冰-SmithsonianMag

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