XXXX天體物理學的發(fā)展

天體物理學的發(fā)展饒志明2014.11.24天文學家確認144.6億歲最長壽恒星

一個天文學家研究團隊再次確定宇宙中迄今最古老恒星HD140283的年齡，或比既定宇宙的年齡還要大，這意味著宇宙比它看起來還要老。宇宙是由一個致密熾熱的奇點于137億年前一次爆炸后膨脹形成的。1929年，美國天文學家哈勃提出星系的紅移量與星系間的距離成正比的哈勃定律，并推導出星系都在互相遠離的宇宙膨脹說?；谶@一推論，宇宙中一切天體的年齡都不應超出這個“宇宙齡”所界定的上限。恒星的年齡可以從它們的發(fā)射功率和擁有的燃料儲備來估計。根據(jù)熱核反應提供恒星能源的理論，人們得到的天體年齡竟與“宇宙齡”協(xié)調(diào)一致，這對大爆炸宇宙模型當然是十分有力的支持。恒星HD140283距離地球190光年，位于天秤座星群里的貧金屬次巨星，其視星等7.223，幾乎由氫和氦組成，鐵含量不到太陽的1%。2013年，天文學家最初確定其年齡時，不禁感到困惑了。根據(jù)宇宙微波背景輻射估計，目前宇宙年齡為138.17億歲。而它似乎大約有144.6億歲，比宇宙本身還大。這種罕見的恒星似乎相當古老，以至于可以將其稱為長壽之星了。此外，其作為一個高速的恒星為人所知有一個世紀左右，但它在太陽附近存在和其組成卻有悖于理論。當然，最終揭示這顆“老壽星”的年齡估計誤差實際上比原來的研究更寬泛，天文學家給這個邊際增加了8億年。該誤差邊際可能會使這個在宇宙中已知最早的星體年輕了許多，但仍在自大爆炸以來的時間界限內(nèi)。但是，在這個年齡的上限是什么？目前，土耳其安卡拉大學的比羅爾提出是否有種可能：這顆恒星與最初測量的一樣老，但仍處于“大爆炸的邊緣”？他采用宇宙輻射模型（RUM），計算宇宙年齡為148.85±0.4億歲，最低限度的比微波背景輻射估計推算宇宙的年齡稍微年長一些，隨之也很容易地調(diào)整出HD140283的原始年齡。比羅爾的RUM理論給哈勃常數(shù)提出了一種新的動態(tài)值，表明自從大爆炸后44億年宇宙膨脹已經(jīng)加速，很可能容納了暗能量。此外，這種加速增長率本身是緩慢的，轉而可能由暗物質(zhì)占據(jù)。暗物質(zhì)和暗能量已被廣泛討論、爭議的物理現(xiàn)象，但有觀測證據(jù)表明它們是真實的。此外，RUM暗示描述量子大小的普朗克常數(shù)并非是單純的常數(shù)，而是一個宇宙變量。2014-11-17物質(zhì)客體的三個層次微觀客體宏觀客體宇觀客體天體的三個層次太陽與太陽系恒星與銀河系星系與宇宙天體物理學研究的意義精確的時間和歷法仍然是按照太陽和恒星的運動確定。（例如測時、守時、授時）可用于人造衛(wèi)星運動軌道的控制，以及地面導航、通信等。（軌道計算、太陽黑子）可啟發(fā)人們?nèi)ニ伎?、探索與人類的現(xiàn)在和未來息息相關的各種應用技術。（核聚變、新的更有效能量轉換方式）可提高學生的科學文化素質(zhì)、樹立正確的宇宙觀，提高辨別是非的能力、反對迷信和邪教的危害。一、天體物理學的興起公元前129年古希臘天文學家喜帕恰斯目測恒星亮度并根據(jù)亮度把恒星劃分為六個等級這可以說是最早的光度學測量1609年伽利略第一次使用光學望遠鏡觀測天體，繪制月面圖記錄大量木星衛(wèi)星的運動資料發(fā)現(xiàn)了土星的“耳朵”·太陽黑子·太陽的自轉等~1655-1656年惠更斯發(fā)現(xiàn)土星的“耳朵”是一些光環(huán)并發(fā)現(xiàn)獵戶座星云哈雷發(fā)現(xiàn)恒星自行和哈雷彗星18世紀末，W.赫謝爾創(chuàng)立了恒星天文學天體物理學由孕育走向成熟十九世紀得益于三種物理學方法1光度學1760年，郎伯特發(fā)表《光度學》2分光學1666年，牛頓用三棱鏡觀察太陽光顏色3照相術19世紀40年代誕生拉塞佛佛1865年拍攝攝的月月球照照片我國科科學家家建造造世界界最大大射電電望遠遠鏡可可探探測宇宇宙信信號二、匹匹克林林譜系系之謎1896年,美國天天文學學家匹匹克林林在哈哈佛天文觀觀測臺的第第12號通報報中宣宣布:““弗萊明明夫人發(fā)發(fā)現(xiàn)船船尾座座ζ星的光譜非常特特殊,和別的的光譜都不一一樣","這6根線很很像氫氫光譜線線那樣,形成有有規(guī)律律的譜譜線,顯然,這是出出自其其它星體或地球球上尚尚未發(fā)發(fā)現(xiàn)的的某種種元素素".當時,還在通通報上上發(fā)表表了拍拍得的的照片片,從照片片上可可以明明顯地地看到到,有4根譜線線與氫氫的巴耳末末系Hα,Hββ,Hγ,Hδδ,Hε互相間間隔,極有規(guī)規(guī)律.人們稱稱以上上這個個譜系系為匹克林林譜系系1884年，巴巴爾末末提出出了氫氫光譜譜的公公式1913年玻爾爾提出出氫原原子的的定態(tài)態(tài)躍遷遷原子子模型型，遇遇到了了匹克林林譜系系的困困擾里德伯伯肯定定了他他們是是氫的的光譜譜1913年9月初發(fā)發(fā)表的的伊萬萬士氫氫譜結結果支支持波波爾理理論匹克林林譜系系之謎謎被解解開圖12－7貝特提出太太陽的的反應應能源源主要要來自自4個個氫核核聚變變變?yōu)闉闅浜撕说倪^過程，，稱為為p-p反反應。。提出出了碳碳循環(huán)環(huán)四、、恒星星演化化理論論的建建立星云物質(zhì)原恒星白矮星主序星紅巨星超新星爆發(fā)中子星（脈沖星）物質(zhì)彌散到星際空間黑洞重恒星輕恒星恒星演演化示示意圖圖星系中中活動動最劇劇烈的的要數(shù)數(shù)類星星體。。類星星體是是20世紀紀60年代代天體體物理理的四四大發(fā)發(fā)現(xiàn)之之一.四、類類星體體三、類類星體體類星體體的距距離非非常遙遙遠，，可以以說處處于目目前可可測宇宇宙的的邊緣緣。它它的致致密部部分大大小只只有若若干光光年甚甚至更更小。。如此此小的的范圍圍內(nèi)竟竟然能能發(fā)出出比整整個銀銀河系系還要要高上上萬倍倍的輻輻射能能量，，堪稱稱宇宙宙中的的奇跡跡。這這就是是所謂謂的能能源問問題。。類星體體的主主要特特征（1））有類類似恒恒星的的像，，有些些有微微弱星星云狀狀包層層，還還有的的有噴噴流．．（2））光譜譜中有有很強強、很很寬的的發(fā)射射線（3））光譜譜線具具有非非常大大的紅紅移（4））有很很強的的紫外外輻射射（5））一般般有光光度變變化，，光度度周期期可以以是幾幾小時時到幾幾十年年。（6））不少少類星星體是是強射射電源源，部部分是是強X射線源源類星體體類星體體研究究的最最新成成果經(jīng)過幾幾十年年來的的不懈懈努力力，科科學家家們基基本上上揭開開了類類星體體的秘秘密：：它們是是遙遠遠的活活動星星系的的亮核核，我我們所所觀測測到的的類星星體并并不是是這類類形體體的全全貌而而僅是是其核核心特特別明明亮的的部分分，因因為過過于遙遙遠，，亮核核區(qū)以以外的的暗弱弱部分分難以以被觀觀測到到。五、宇宇宙背背景輻輻射的的發(fā)現(xiàn)現(xiàn)1948年美國國科學學家阿阿爾弗弗和赫赫爾曼曼預言言，宇宇宙大大爆炸炸產(chǎn)生生的殘殘系輻輻射，，由于于宇宙宙的膨膨脹和和冷卻卻，如如今它它所具具有的的溫度度約為為絕對對零度度以上上5開，或或者說說5K(絕對零零度等等于攝攝氏零零下273.15度，即即-273℃℃)。但是是他們們的預預言并并未引引起人人們的的普遍遍重視視。射，由由于宇宇宙的的膨脹脹和冷冷卻，，如今今它所所具有有的溫溫度約約為絕絕對零零度以以上5開，或或者說說5K(絕對零零度等等于攝攝氏零零下273.15度，即即-273℃)。但是是他們們的預預言并并未引引起人人們的的普遍遍重視視。1965年，美美國新新澤西西州貝貝爾實實驗室室的兩兩位無無線電電工程程師阿阿爾諾諾彭齊齊亞斯斯和羅羅伯特特威爾爾遜卻卻十分分意外外地發(fā)發(fā)現(xiàn)了了這種種宇宙宙輻射射場，，當時時他們們正在在為跟跟蹤一一顆衛(wèi)衛(wèi)星而而校準準一具具很靈靈敏的的無線線電天天線圖12－11貝爾實實驗室室的射射電望望遠鏡鏡喇叭叭形天天線1964年，美美國貝貝爾實實驗室室的工工程師師阿諾諾彭齊齊亞斯斯和羅羅伯特特威爾爾遜架架設了了一臺臺喇叭叭形狀狀的天天線，，用以以接受受“回回聲””衛(wèi)星星信號號。為為了檢檢測這這臺天天線的的噪音音性能能，他他們將將天線線對準準天空空方向向進行行測量量。他他們發(fā)發(fā)現(xiàn)，，在波波長為為7.35cm的地地方方一一直直有有一一個個各各向向同同性性的的訊訊號號存存在在，，這這個個信信號號既既沒沒有有周周日日的的變變化化，，也也沒沒有有季季節(jié)節(jié)的的變變化化，，因因而而可可以以判判定定與與地地球球的的公公轉轉和和自自轉轉無無關關。。圖12－12彭齊齊亞亞斯斯（（右右））與與威威爾爾遜遜站站在在他他們們的的天天線線旁旁3K宇宙宙微微波波背背景景輻輻射射（1978年諾諾貝貝爾爾物物理理獎獎））1965年貝貝爾爾電電話話實實驗驗室室的的兩兩位位工工程程師師彭彭齊齊亞亞斯斯（（ArnoPenzias）和和威威爾爾遜遜（（RobertWilson），，正正在在校校正正為為測測試試衛(wèi)衛(wèi)星星通通訊訊而而設設計計的的反反射射天天線線。。他們們以以極極大大的的耐耐心心追追蹤蹤和和消消去去干干擾擾源源。。但但是是他他們們發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)，，有有一一種種未未加加解解釋釋的的輻輻射射來來自自天天空空的的各各個個方方向向，，對對應應的的溫溫度度大大約約是是3K。他們們向向迪迪克克咨咨詢詢引引起起這這種種輻輻射射的的可可能能原原因因，，不不料料獲獲悉悉他他正正在在積積極極尋尋找找他他們們已已經(jīng)經(jīng)找找到到的的東東西西。。3K宇宙宙微微波波背背景景輻輻射射的的發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)對對大大爆爆炸炸理理論論一一個個有有力力的的支支持持。。圖12－14COBE取得得的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)與與黑黑體體譜譜在在0.1％內(nèi)內(nèi)相相符符（（×號為為測測量量數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)，，曲曲線線為為理理論論預預計計））圖12－15COBE得到到的的背背景景輻輻射射圖圖2011年年度度諾諾貝貝爾爾物物理理學學獎獎由索索爾爾·佩爾爾穆穆特特、、布布賴賴恩恩·施密密特特和和亞亞當當·里斯斯分分享享，，以以表表彰彰他他們們觀觀測測Ia型超超新新星星并并發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)宇宇宙宙在在加加速速膨膨脹脹。。那那么么，，宇宇宙宙的的膨膨脹脹速速度度究究竟竟是是多多少少？？參參與與重重子子振振蕩蕩光光譜譜巡巡天天（（BOSS）的的天天文文學學家家們們通通過過對對14萬顆顆遙遙遠遠的的類類星星體體的的位位置置和和星星系系間間氫氫氣氣的的分分布布進進行行觀觀測測和和分分析析，，測測量量出出了了宇宇宙宙年年齡齡為為30億年年的的膨膨脹脹率率。。這這是是迄迄今今為為止止對對宇宇宙宙膨膨脹脹進進行行的的最最精精確確的的測測量量，，將將有有助助于于科科學學家家們們進進一一步步厘厘清清暗暗能能量量的的屬屬性性。。佛佛特特-里貝貝拉拉說說：：““最最新新結結果果意意味味著著，，在在宇宇宙宙誕誕生生30億年年左左右右，，我我們們會會看看到到，，隨隨著著宇宇宙宙的的膨膨脹脹，，一一對對相相距距一一百百萬萬光光年年的的星星系系正正以以68公里里/秒的的速速度度背背離離對對方方。?！薄眻D12－292003年，，從從WMAP獲得得的的宇宇宙宙嬰嬰兒兒時時期期圖圖像像（（讀讀者者可可以以與與圖圖12－15比較較））六、、脈脈沖沖星星1967年，，英英國國劍劍橋橋大大學學的的休休伊伊什什設設計計了了一一架架射射電電望望遠遠鏡鏡，，用用來來研研究究太太陽陽風風對對來來自自宇宇宙宙其其他他天天體體射射電電信信號號的的影影響響，，從從而而研研究究太太陽陽風風的的運運動動和和結結構構。。記記錄錄工工作作由由休休伊伊什什的的研研究究生生貝貝爾爾小小姐姐擔擔任任。。她她注注意意到到半半夜夜仍仍然然有有射射電電信信號號的的閃閃爍爍，，而而且且是是周周期期為為1.337秒的的脈脈沖沖。。多多次次反反復復觀觀測測后后，，他他們們確確定定這這是是來來自自某某一一天天體體的的脈脈沖沖信信號號，，將將這這種種新新的的天天體體命命名名為為脈脈沖沖星。。直到到1968年底底,休伊伊什什等等已已發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)23顆脈脈沖沖星星。。休休伊伊什什獲獲得得1974年物物理理學學諾諾貝貝爾爾獎獎圖12－181967年11月28日從從射射電電源源CP1919第一一次次觀觀測測到到周周期期性性的的脈脈沖沖信信號號基本本特特點點：：1、、脈脈沖沖是是射射電電信信號號，，在在無無線線電電波波段段收收到到2、、脈脈沖沖信信號號的的時時間間間間隔隔（（即即周周期期））很很短短，，且且相相當當穩(wěn)穩(wěn)定定已知知的的脈脈沖沖星星周周期期在在0.03秒秒到到4秒秒之之間間，，脈脈沖沖持持續(xù)續(xù)時時間間大大部部分分在在0.001~0.05秒秒。。至今今發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)的的脈脈沖沖星星已已達達500顆左左右右，，脈脈沖沖星星按按其其脈脈沖沖輻輻射射的的形形狀狀可可分分為為三三類類：：S型、、C型、、D型。。S型脈脈沖沖星星具具有有簡簡單單的的脈脈沖沖外外形形，，C型脈脈沖沖星星具具有有復復雜雜的的脈脈沖沖外外形形，，D型脈脈沖沖星星具具有有漂漂移移的的亞亞脈脈沖沖。。脈沖沖星星一一次次脈脈沖沖發(fā)發(fā)出出的的能能量量比比地地球球上上最最猛猛烈烈的的火火山山爆爆發(fā)發(fā)所所釋釋放放的的能能量量還還要要大大幾幾億億倍倍?！，F(xiàn)在在公公認認脈脈沖沖是是一一種種““燈燈塔塔””發(fā)發(fā)出出的的，，““燈燈塔塔””是是快快速速旋旋轉轉的的中中子子星星，，自自轉轉一一周周僅僅需需要要1秒左右。。只有中中子星才才能承受受這樣的的高速旋旋轉，因因為中子子星的密密度達到到1億噸/厘米3。許多學者者認為中中子星是是超新星星爆發(fā)的的產(chǎn)物。。由于爆爆炸后核核心的急急劇收縮縮，星體體內(nèi)部的的巨大壓壓力把電電子擠入入原子核核內(nèi)與質(zhì)質(zhì)子結合合，形成成高密度度的中子子物質(zhì)，，成為中中子星。。中子星發(fā)發(fā)出的射射線二、中子子星很多恒星星具有靠靠得很近近的伴星星。當這這樣一對對恒星中中的一員員變成一一顆超新新星，爆爆發(fā)后留留下一顆顆中子星星時，其其伴星的的演化往往往會因因此而大大大加快快。由于于中子星星對伴星星的引力力作用很很強，所所以該伴伴星可能能會從它它的大氣氣傾瀉出出可觀的的質(zhì)量，，而以致致密氣體體云的形形式包圍圍那顆中中子星。。致密氣氣體會撲撲滅脈沖沖星發(fā)出出的射電電發(fā)射。。但隨著著氣體在在中子星星周圍的的強引力力場中被被吸積和和加熱，，又會產(chǎn)產(chǎn)生很強強的X射線發(fā)射射。這也也給科學學家提供供了一種種觀測中中子星存存在的可可靠方法法。星團原子彈之之父奧本本海默的的研究表表明，若若恒星爆爆發(fā)后剩剩余的質(zhì)質(zhì)量大于于3M⊙，則中子子星簡并并壓力無無法阻止止引力坍坍縮的進進一步進進行。為為紀念奧奧本海默默的這一一發(fā)現(xiàn)，，后人把把M=3M⊙稱為奧本本·海默極限限。中子星依依靠中子子簡并壓壓力來阻阻止強大大引力造造成的進進一步坍坍縮。與與白矮星星類似，，中子星星也有一一個質(zhì)量量范圍。。1974年美國天天文學家家泰勒和和他的研研究生赫赫爾斯利利用射電電望遠鏡鏡發(fā)現(xiàn)了了脈沖雙雙星PSR1913+16。他倆而后后對PSR1913+16進行了多多年的追追蹤觀測測，出現(xiàn)現(xiàn)其軌道道周期每每年減小小76微秒。這這一結果果表明雙雙星系統(tǒng)統(tǒng)的能量量在慢慢慢損失。。理論研研究表明明，只有有引力波波輻射才才能將系系統(tǒng)的能能量慢慢慢帶走，，使整個個雙星系系統(tǒng)的能能量繞轉轉周期越越來越短短，兩子子星距離離越來越越近。三脈脈沖雙星星和引力力波探測測到2005年底已發(fā)發(fā)現(xiàn)脈沖沖雙星約約100個,大多數(shù)是是一顆中中子星和和一顆白白矮星的的組合,兩顆都是是中子星星的僅有有6對。獨特脈沖沖雙星七、星際際有機分分子的發(fā)發(fā)現(xiàn)星際分子子：1963年，美國國科學家家發(fā)現(xiàn)星星際羥基基分子（（OH），此后后，陸續(xù)續(xù)發(fā)現(xiàn)大大量星際際有機分分子。到到90年代末，，已發(fā)現(xiàn)現(xiàn)了120多種，而而且許多多都是很很復雜的的有機分分子，少數(shù)分子子是地球球上很難難找到的或或者根本本找不到到的。星際分子子的發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有助于于人類對星星云特性性的深入入了解，可可以幫助助揭開生生命起源的奧奧秘。星際分子子C2S是在金牛牛座黑暗星云云新證據(jù)表表明生命命或許起起源于太太空據(jù)9月29日（北京京時間））每日科科學報道道，來自自馬克斯斯·普朗克射射電天文文學研究究所的阿阿納德·貝克徹、、卡爾·曼頓，與與來自康康奈爾大大學的霍霍爾格·米勒/穆勒加羅羅德合作作，針對對人馬座座B2區(qū)域進行行全光譜譜測量，，搜尋空空間中可可能存在在的全新新有機分分子，終終于在臨臨近銀河河系中心心的人馬馬座B2產(chǎn)星區(qū)捕捕捉到了了由異丁丁腈（isopropylcyanide）發(fā)射出出的電波波。八、黑洞與白白洞一、引力力坍縮與與黑洞逃逸速度度：物體體要擺脫脫天體的的引力必必須具有有的速度度令V為光速c，則可得得引力半徑徑：Rg＝2GM/c2，G為萬有引引力常數(shù)數(shù)M為天體質(zhì)質(zhì)量R為天體的的半徑引力半徑徑的物理理意義是是：如果果某天體體的半徑徑R小于其對對應的Rg，則此天體體發(fā)出的的光也逃逃不出去去。該天天體形象象稱為黑洞(blackholl)注意：將R=Rg對應的球球面，稱稱為黑洞洞的視界界。黑洞洞的視界界并不是是物質(zhì)面面，它的的物理意意義是指指外部觀觀測（R﹥Rg）不可能知知道其內(nèi)內(nèi)部（R﹤Rg）的任何信信息。計算表明明，當恒恒星的質(zhì)質(zhì)量超過過3倍M⊙，中子兼兼并壓力力不能抵抵抗自身身的巨大大引力，，星體將將會自動動繼續(xù)塌塌縮下去去，最后后形成黑黑洞。最大最古老老的黑洞仙女座中心心存在著10個新的準黑黑洞黑洞撕裂恒恒星黑洞拉伸、、撕裂并吞吞噬一小部部分恒星，，最終將恒恒星大部分分質(zhì)量拋向向宇宙空間間巨型黑洞撕撕裂恒星奇奇觀圍繞著中等等黑洞旋轉轉的星群黑洞有一個個特別的行行為，就是是當兩個黑黑洞相撞而而合二為一一時，還會會釋放出巨巨大的能量量。合成后后的黑洞還還可以再合合并，再釋釋放能量。。但是，著名名的黑洞理理論家霍金金證明，黑黑洞一分為為二是辦不不到的。黑洞的““合二為一一”與“一一分為二””霍金在研究究量子力學學對黑洞附附近物質(zhì)的的行為的影影響時，發(fā)發(fā)現(xiàn)黑洞似似乎總以穩(wěn)穩(wěn)定的速度度發(fā)射粒子子，而且發(fā)發(fā)射的粒子子具有熱輻輻射的性質(zhì)質(zhì)。黑洞的輻射射看起來好好象是一個個普通的熱熱物體在輻輻射，所以以黑洞并非非絕對的黑黑，它有一一個溫度。。當然，這種種量子效應應只在微觀觀領域才能能表現(xiàn)出來來。對于通通常的黑洞洞，這種熱熱輻射是可可以忽略的的。黑洞不“黑黑”高速運行的的黑洞天鵝座X-1的特征根據(jù)觀測資資料，天鵝鵝座X-1成了黑洞最最有希望的的候選者，，它的質(zhì)量量約為8個太陽質(zhì)量量。光學學望遠鏡在在天鵝座X-1方向上觀測測到一顆亮亮度為9等的雙星，，有人估計，，在過去100億年中銀河河系中平均均每100年有一顆超超新星爆發(fā)發(fā)，而每100顆超新星中中一顆會導導致黑洞形形成，如果果這個估計計是正確的的，則銀河河系里應該該有數(shù)百萬萬個由恒星星坍縮而成成的黑洞，，而我們根根據(jù)X射線雙星系系統(tǒng)來確定定的黑洞或或黑洞候選選者僅僅數(shù)數(shù)十個，問問題出在哪哪里呢？黑洞研究的的最新成果果白洞和蟲眼眼按照宇宙通通常存在的的對稱性，，應該有與與黑洞相對對應的天體體存在，也也就是恒星星坍縮的逆逆過程，這這就是宇宙宙物質(zhì)的““火山口””，大量物物質(zhì)和能量量從那里涌涌出來，這這樣的天體體稱為白洞洞。黑洞和白洞洞的通道為為蟲眼。物質(zhì)一旦在在蟲眼的另另一端出現(xiàn)現(xiàn)，它就再再次突然膨膨脹成了普普通的物質(zhì)質(zhì)。膨脹時時，它發(fā)出出熾烈的輻輻射能，而而這種能量量原先是陷陷在黑洞里里的。也就就是說，我我們眼前出出現(xiàn)了一個個白洞。有些學者認認為類星體