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哈勃太空望远镜16年十大发现
2006-08-23          点击: 3664
哈勃太空望远镜16年十大发现



2006年08月18日《环球科学》(文:Mario Livio,译:虞俊):哈勃太空望远镜正在接受最后一次维护,也许 2008年就要告别太空。科学家从它16年来的赫赫功绩中,精心筛选出10项最突出的贡献,纪念哈勃带着我们游历 宇宙的时光。在很多研究人员眼中,哈勃辉煌的一生也是天文学研究的黄金时代。

历史上,很少有望远镜能够像哈勃太空望远镜这样,对天文学研究产生如此深远的影响。不过,哈勃所起的作用 并非大多数人想象的那样,基本上,它没有作出过任何一项发现——因为,所有成就都不是由它独立完成的。地 基天文台的观测常常会发现一些蛛丝马迹,但受到自身观测能力的限制,得出的结果往往不能让人放心。通过观 测,哈勃就会对结果作出比较确定的判断。通过与其他天文台的合作,哈勃已经为宇宙描绘了一幅多彩的画卷。 它迫使理论学家重新审视那些粗枝大叶的理论,建立新的理论,把那些天文现象解释得更加精确。简而言之,哈 勃的影响之所以如此深远,并不是因为它超然于其他设备和技术之上,而是因为哈勃与它们密切结合,成了一个 整体。

2006年4月,这架望远镜度过了它在太空中的第16个周年纪念日。哈勃不仅为天文学家提供了前所未有的细节,还 让全世界的人在家中也能一睹宇宙的奇景。不过,最近针对它未来命运的争论,却让这些成就蒙上了一层阴影。 在美国国家航空航天局(NASA)奋力恢复航天飞机飞行的同时,哈勃的处境也在持续恶化;除非宇航员飞抵那里, 对它进行整修,不然这架望远镜可能会在2008年中期便早早结束它的工作生涯。这个紧要关口日益临近,促使我 回头审视哈勃的,也是天文学过去的十五年。对许多研究人员而言,这十五年也是他们研究领域的黄金时代。

下面,我将从哈勃的贡献中,挑选出10项最为迷人的成就(不可否认其中会存在一定的偏向性),并且按照从小到 大的顺序——从行星这样的小天体,到巨大的星系,乃至整个宇宙,逐一进行介绍。要在一篇文章中公平对待哈 勃的所有贡献,绝非易事。在本文写作之时,哈勃的资料库中已经包含了超过27万亿字节的数据,而且仍在以每 月3,900亿字节的速度增加。这些数据已经成为6,300篇科学论文的基础。此外,这架望远镜还在继续出产令人惊 讶的科学成果。在去年与其他天文台的合作观测中,哈勃发现了冥王星的另外两颗新卫星;在宇宙的极早期找到 了一个质量大得出乎意料的星系(而且自相矛盾的是,质量大得与它幼小的年龄极不相称);还确认了在一颗褐矮 星身边,有一个达到行星质量的同伴,虽然它本身比行星重不了多少。我们应该为生活在这样一个时代感到幸运 ,哈勃让我们第一次有机会目睹宇宙中的许多奇景。就在不久之前,人类还只能在自己的想象中描绘这些景象。

1、彗木大冲撞

从宇宙的角度出发,舒梅克—列维9号彗星(Comet Shoemaker-Levy 9)与木星相撞,是一件再平常不过的事:岩石 行星和卫星表面的千疮百孔已经证明,太阳系原本就是一个危险的射击场。不过,从人类的视角来看,这场冲撞 却是终其一生也难得一见的大事:人们相信,平均每1,000年,才会有一颗彗星一头扎进行星之中。

在舒梅克-列维9号彗星“英勇献身”的一年以前,哈勃的照片就揭露出,它已经分裂成大约20块碎片,变成了一 串“珍珠项链”。1994年7月16日,第一块碎片闯入木星大气层,接下来的一周内,其余碎片也接踵而至。照片显 示,如原子弹蘑菇云一般的火球柱从木星的地平线上升腾而起,在撞击发生后的10分钟以内,逐渐下降、扩散开 来。撞击造成的疤痕在木星表面滞留了好几个月。

这些照片如此珍稀,已经是价值不菲,这些连拍画面,还对木星这颗气态巨行星的化学构成提出了一个有趣的问 题。在某个位置,波纹以450米/秒的速度向外扩散。主流解释认为,这些波纹是重力波(gravity wave)的一种, 木星大气层中的浮力起到了回复力的作用,就像你试图将一块木头强压到水下,它就会上下来回振动一样。[译注 :这里指的并不是广义相对论预言的引力波(gravitational wave),而是流体力学中的重力波。当一小团流体物 质偏离平衡位置时,某种回复力,例如重力或浮力,就会迫使它恢复平衡,结果这团物质就会在平衡位置附近来 回振动,形成所谓的重力波。水面上荡漾的波纹就是重力波最常见的例子。]果真如此,这些波纹的性质就能间接 表明,在这块传播着波纹的水云(water cloud)之中,氧和氢的比例是太阳的10倍。根据过去一些理论提出的假设 ,木星是由太阳系的原始尘埃气体盘,在引力的作用下分裂成团,逐渐聚集而成的。如果假设正确,木星的化学 构成就该与气体盘相同,也就应该跟太阳的化学成分相似。观测与理论提出的化学成分比例,明显有很大的差距 ,这个分歧至今无人能解。

2、太阳系外的行星

2001年,美国天文学会请行星科学家投票表决,选出过去十年内他们心目中最重大的发现。结果,在我们太阳系 以外成功检测到其他行星的存在,成为他们的一致选择。现在,研究人员已经找到大约180个类似的天体,其中大 部分都是利用地基望远镜,通过观测恒星的轻微摆动发现的。当一颗行星围绕主星旋转时,它所施加的引力就会 拉扯主星,引起这样的摆动。不过这些观测所提供的信息非常有限:只提供了这颗行星运行轨道的大小和椭率, 以及这颗行星的质量下限。

哈勃进行了后续观测,它着重观察一些轨道平面与我们的视线方向刚好一致的行星。这些行星周期性地从主星前 面经过,遮挡一部分星光,导致恒星亮度下降——这类事件被称为掩食(transit)。哈勃观测了人们发现的第一颗 掩食行星——恒星HD209458的同伴,为这颗行星的性质提供了非常翔实的信息,详细程度超过了我们在太阳系外 发现的其他任何行星。它比木星轻了30%,直径却大了30%,这大概是因为主星发出的强劲辐射已经使它变得体态 臃肿。如果这颗行星拥有宽宽的光环和大块头卫星,哈勃数据的精度就足以暴露它们的踪迹;很可惜,它们并不 存在。最令人印象深刻的是,哈勃已经测得了这颗行星的化学成分。对一颗围绕着其他恒星运行的行星来说,这 还是破天荒头一遭。它的大气层中包含了钠、碳和氧,它的氢元素挥发到太空之中,形成了一条彗星状的尾迹。 这些观测打响了在银河系其他地方搜寻生命化学信号的第一枪。

3、恒星的死亡之舞

理论预言,质量介于太阳的8倍到25倍之间的恒星,会在一场超新星爆炸中结束自己的生命。当这颗恒星耗尽所有 可用的燃料,它就会突然失去一直支撑着自身重量的压力。它的核心坍缩成一颗中子星—— 一个毫无生气的超致 密残骸,外侧的气体包层则会以5%的光速抛射出去。

可是,要检验这个理论,却一直困难重重,因为从1680年以来,我们的银河系中再也没有超新星爆发。1987年2月 23日,天文学家退而求其次,找到了一个好机会:一颗超新星出现在银河系的一个伴星系——大麦哲伦星云 (Large Magellanic Cloud)中。当时哈勃还没有发射升空,不过三年之后,它就对事件的进程展开了追踪。很快 ,哈勃就在这颗已经爆炸的恒星周围发现了一个三环系统。中间的亮环似乎代表了一团沙漏状气体的狭窄腰部, 较大的两个亮环则是两片泪滴状瓣片的边缘,这些结构显然是那颗恒星在爆炸之前的几万年内创造出来的。1994 年,哈勃看见中央亮环上的一些光点开始依次增亮——暗示超新星抛射物正在撞入亮环。对这条亮环的观测,仍 在为我们研究这颗恒星的最后时光提供有用的线索。

跟那些质量较大的恒星不同,人们认为类日恒星会以一种体面的方式了却残生: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,整个过程将持续一万年左右。这颗恒星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。这个过程所产生 的最终结果,被称为行星状星云(planetary nebula),不过它跟行星其实并没有什么关系。今天已知的行星状星 云约有2,000个。哈勃以空前的精度,揭露出它们格外复杂的形状。

一些星云展示出一组形如牛眼的同心圆环。这可能意味着抛射过程并不连续,而是周期性的。奇怪的是,由此推 算出来的两段抛射期之间的时间间隔约为500年,用动力学脉动(dynamic pulsation)来解释太长,用热力学脉动 (thermal pulsation)来描述又太短。(在动力学脉动中,恒星处于引力和气体压力的太极推手之中,本身会收缩 和膨胀,这种脉动的周期通常为几百天;而在热力学脉动中,恒星核心附近的氢气层经历了突发的热核反应,从 而改变恒星结构,打破了平衡状态,这个过程通常将持续几千年。)因此,我们还不清楚同心圆环的确切本质。

4、宇宙分娩

很久以前,天文学家就已经知道,喷涌而出的狭窄气流标明了恒星诞生的地点。初生的恒星能够发射出一对准直 的喷流,长度可达好几光年。[译注:所谓准直,是指喷流的方向性极佳,如同激光一样,射出很远仍然只是一 个很小的光斑,而不像手电筒射出的光线,三五米开外就已经发散得很大。]我们还没能完全理解它的形成过程 。最有希望的假说与大规模的磁场有关,它缠绕在这个年轻天体周围的尘埃气体盘中。经过电离的物质就像穿在 绳子上的珠串一样,被迫沿着磁力线流动,随着绳子的旋转而被抛掷出去。哈勃已经发现,这些喷流确实起源于 物质盘的中心,为这种理论图景提供了第一份直接证据。

原先有另一种想法认为,这些环恒星盘(circumstellar disk)应该会深深埋藏在形成它们的气体云中,因而不可 能看得到。这种观点已经被哈勃推翻。实际上,哈勃揭露了几十个原行星盘(protoplanetary disk,也被称为 proplyd)的行踪,它们大都映衬在明亮的星云背景上,形如一个个剪影。在哈勃观测过的年轻恒星之中,至少有 一半看似拥有类似的物质盘。事实证明,形成行星所需的原料,在银河系中是普遍存在的。

5、星系考古

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。这种 复杂的成长历程所留下的蛛丝马迹,应该被记录在恒星的排布、年龄、成分和速度之中。在破译星系成长历史这 方面,哈勃功不可没。它对仙女座星系的恒星“晕”所做的观测就是一例。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。天文学家发现,在仙女座大星系的晕中,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(假如另一个星系撞过来,或者从星系盘中穿过,星系盘会被搅得天翻地覆,盘中较年轻的 恒星就可能被抛入晕中)。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。

6、超大质量黑洞

从20世纪60年代起,天文学家就推测出,类星体(quasar,一种看起来与恒星类似的天体,但是光谱观测表明,它 们距离我们非常遥远,因此它们本身的亮度一定比整个星系还要明亮。现在的高分辨率观测已经发现,它们正是 一些星系的核心)和其他活动星系核(active galactic nuclei,明亮而狂暴的星系核心)是由正在吞噬物质的巨型 黑洞所驱动的。哈勃的观测已经进一步巩固了这个理论框架。哈勃仔细观察过的星系,几乎每一个的中心最终都 被发现拥有一个黑洞。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(bulge)的质量,与巨型黑洞的质量紧密关联。这种关系暗示,星系 与中央黑洞的形成与演化息息相关。

7、最剧烈的爆炸

伽马射线暴(Gamma-ray burst,简称GRB)是伽马射线的短暂闪光,持续时间从几毫秒到几十分钟不等。根据持续 时间的长短(以两秒左右为界),它们被区分成截然不同的两类:与短伽马暴相比,长伽马暴产生的光子能量更低 。根据康普顿伽马射线天文台(Compton Gamma Ray Observatory)、“BeppoSAX”X射线卫星和地面天文台所做的 观测,天文学家已经将长伽马暴的产生原因,归结为短命的大质量恒星的核心坍缩——换句话说,长伽马暴是超 新星爆发的一种。问题是,为什么只有一小部分超新星爆发能够产生伽马暴。

哈勃已经发现,尽管超新星的爆发地点遍布于星系的恒星形成区域,但长伽马暴却集中在最明亮的地方,也就是 质量最大的恒星聚居的地方。此外,与超新星的寄主星系相比,长伽马暴的寄主星系明显更暗,更不规则,其中 包含的重元素也少得多。这一点是非常重要的,因为与那些重元素富集的恒星相比,缺乏重元素的大质量恒星所 吹出的星风(stellar wind)会更加微弱。这样,在恒星的一生中,没有被星风吹走而被保留下来的质量就会更多 ;当它们死亡的时候,才会更重。这些恒星的核心坍缩,倾向于直接形成一个黑洞,而不是一颗中子星。实际上 ,天文学家将长伽马暴归因于快速旋转的黑洞所产生的准直喷流。核心坍缩事件能否产生伽马暴的决定性因素, 似乎是恒星生前的质量和自转速率。

事实证明,对短伽马暴的鉴别更加困难。直到去年,HETE 2(高能暂现源实验卫星2号)和雨燕号(Swift)卫星才最 终锁定了寥寥几个短伽马暴事件。哈勃和同样在太空中运行的钱德拉X射线天文台(Chandra X-ray Observatory) 发现,这些爆发释放的总能量比长伽马暴少,而它们所处的星系类型也更加多样,甚至还包括了早已不再诞生恒 星的椭圆星系。显然,这些短伽马暴跟短命的大质量恒星没有直接的联系,它们与恒星的残骸有关。最合理的假 说认为,这些短伽马暴是在两颗中子星并合的过程中产生的。

8、遥远的太空边疆

天文学的最终目标之一,就是要尽可能地追溯我们星系及其前辈的演化,一直回溯到靠近宇宙大爆炸起点的时刻 。为了让我们能够对银河系过去的模样有个概念,天文学家竭力拍摄了许多星系的照片。这些星系的年龄各不相 同,囊括了从幼年到成年的各个阶段。到目前为止,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,将最遥远(因而也最古老)的星系带到我们 眼前。

这些超灵敏的图片揭露出一些处于宇宙早期的星系。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,那些星系的尺寸较小,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)。回溯到更为久远的过去,这是哈勃的继任者——目前正在建造的詹姆斯·韦 伯太空望远镜(James Webb Space Telescope)的主要目标。

这些长时间的曝光观测,还对宇宙中恒星形成的速率进行了追踪。随着宇宙年龄的增长,恒星的形成也经历了潮 起潮落。大约在70亿年以前,宇宙中的恒星形成率似乎达到了顶峰,现在的形成率只及当年的1/10。甚至在宇宙 还相当年轻——只有10亿岁的时候,恒星的形成率就已经不低了——大约是峰值形成率的1/3。

9、宇宙的年龄

埃德温·哈勃(Edwin Hubble)以及其他人在20世纪20年代所做的观测表明,我们生活在一个正在膨胀的宇宙之中 。星系正以一种对称的方式彼此飞散开来,暗示着空间本身的结构正在伸展。哈勃常数(Ho)是当前宇宙膨胀速率 的一个指标,也是确定宇宙年龄的关键参数。原因很简单:Ho是星系之间彼此远离的速率;因此,如果不考虑任 何的加速和减速,Ho的倒数就确定了一个时间,也就是当初所有的物质都必然聚集在一起的时刻。Ho的数值还在 星系的成长、轻元素的产生和宇宙演化阶段的时间定标方面,起到了一定的作用。因此,准确地测定哈勃常数, 从一开始就成了与它同名的太空望远镜的主要目标之一,这也不足为奇。

在实际操作中,确定这个数值就意味着要测定邻近星系的距离——这项以困难而著称的任务曾在20世纪引发了一 场异常激烈的论战。哈勃太空望远镜对31个星系之中的造父变星(Cepheid variable)进行了权威的研究,这类恒 星与众不同的脉动透露了它们的本征亮度,暴露出它们的距离。[译注:造父变星是一类奇特的变星,它们的变 光周期与本身的亮度之间,存在着一一对应的关系。因此测得亮度变化周期(非常容易测量),就能推算它们的亮 度。再结合恒星表现出来的亮度,根据近亮远暗的规律,就能确定这颗恒星的距离。因此,造父变星又被称为“ 量天尺”。]通过这种方法得出的Ho数值,精度达到10%左右。再加上对宇宙微波背景辐射(cosmic microwave background)的测量,哈勃常数的数值表明,宇宙的年龄为137亿年。

10、正在加速膨胀的宇宙

1998年,两个相互独立的天文学家小组投下了一枚“重磅炸弹”:宇宙的膨胀正在加速。天文学家过去总是假设 ,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。驱使宇宙加速膨胀的原 因,被许多人视为当代物理学中最大的谜团。一种还有待论证的假设认为,宇宙中包含着一些迄今无法看到的成 分——人们称之为暗能量(dark energy)。我们将哈勃、地基望远镜和微波背景辐射的观测数据结合在一起,结果 暗示,这种暗能量占据了宇宙总能量密度的大约3/4。

这种加速从大约50亿年前开始,在此之前,宇宙的膨胀越来越慢。2004年,哈勃发现了16颗遥远的超新星,它们 爆发的时间横跨过这个重要的转折点。暗能量是什么样的?这些观测为有关这个问题的理论,设下了更有意义的 限制条件。最简单(不过,从某些方面来说,也是最神秘)的可能性是:暗能量是空间本身所蕴含的一种能量形式 ,尽管从其他角度来看,空间中可能空无一物。在搜寻遥远的超新星,圈定暗能量性质这方面,哈勃太空望远镜 至关重要,暂时还没有其他设备能够与之媲美。哈勃在暗能量探索中所起的作用,大概就是天文学家如此渴望 NASA维持哈勃运转的最大的、也是惟一的原因。
责任编辑: wayne
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