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暴烈宇宙中的科学

作者:admin 2020-07-04 我要评论

当人们仰望星空,总能感受到宇宙的平静与美好。实际上,宇宙不只有平静的一面,也有暴烈的一面。尤其是在物质集中的星系内部,时常会发生人们难以理解,甚至是难...

当人们仰望星空,总能感受到宇宙的平静与美好。实际上,宇宙不只有平静的一面,也有暴烈的一面。尤其是在物质集中的星系内部,时常会发生人们难以理解,甚至是难以想象的激烈事件。当人们观测到这些事件之后,除了惊叹之外,也开始尝试理解其中所蕴含的科学道理。

位于西澳大利亚的“澳大利亚平方公里探路者望远镜阵列”

 

天文学家们检查欧洲空间局在2013年发射的盖娅探测器(Gaia)收集的数据时惊奇地发现,盖娅探测器在2018年记录了银河系中以惊人的速度穿行的白矮星(White Dwarf)。这几颗白矮星以每秒1000公里的速度在银河系中运行,因为速度太快,这将使它们摆脱整个银河系的引力,最终冲进空旷的宇宙空间。

问题在于,由恒星燃烧殆尽留下的残骸构成的白矮星,如何获得如此惊人的能量?科学家们经过研究发现,这可能与宇宙中最激烈的现象之一——超新星爆发有所联系。在盖娅的观测数据中发现了这些白矮星的踪迹之后,天文学家们随后使用地面的观测仪器对它们进行追踪。人们发现,这几颗白矮星要比常见的白矮星更大,也更热。分析它们发出光线的光谱,还在其中发现了铁和其他金属元素的痕迹。这就让人们把白矮星与超新星爆发联系在了一起。

宇宙中大多数的金属元素都是由超新星爆发产生出来的,而在银河系中20%的超新星爆发又属于Ia型超新星爆发。这是一种人们熟悉的,被认为爆发强度和亮度都比较一致的宇宙现象。正是因为天文学家们长期以来认为Ia型超新星爆发的亮度一致,可以通过观测这种天体来判断它们与地球的距离,这种天体也因此被称为“标准烛光”(Standard Candles)。人类在发现和测量推动宇宙加速膨胀的暗能量过程中,标准烛光起到了重要作用。

关于Ia型超新星爆发的机制,天文学家约翰·惠伦(John Whelan)和艾科·伊本(Icko Iben)在1973年提出了一个标准理论。该理论认为,当一个恒星燃烧殆尽发生坍塌,成为一个只有地球大小,主要由碳和氧元素组成的白矮星后,它还可能继续以此状态存在数十亿年;但如果一颗白矮星与另外一颗太阳大小的恒星,例如红巨星(Red Giant)形成一个双星系统,白矮星从对方那里迅速获取氢气燃料,则有可能被这个红巨星所“触发”,进而发生Ia型超新星爆发。

几十年来,这个理论都是人们解释Ia型超新星爆发的标准理论,但是问题在于实际观测与理论预测并不完全相符。例如人们从没有在Ia型超新星爆发的现场观测到过红巨星的残骸,也没有发现过理论预测会出现的、超新星爆发时会发生的标志性蓝光。另外,人类在银河系中发现的由白矮星和红巨星组成的双星系统极少,这与人们观测到的、频繁的Ia型超新星爆发现象不符。针对Ia型超新星爆发,一个新的理论正在逐渐形成——有可能是两个白矮星组成的双星系统触发了Ia型超新星爆发。

天文学家们由此提出了一个全新的模型——两个白矮星组成了一个双星系统,彼此相互围绕运转,逐渐接近,最终相互融合,形成了超新星爆发。根据观测,在银河系中有众多白矮星组成的双星系统,足以造成频繁的Ia型超新星爆发。当然这个理论也有其自身的问题,比如说如果Ia型超新星爆发大多是由双白矮星系统触发,那么根据模型,爆发并不是发生在白矮星的核心,而是在其外部,这样的爆发并不完全。另外,如果Ia型超新星爆发的理论需要修改,也就说明这种超新星的亮度并不恒定,人们以它们为“标准烛光”进行的一些宇宙学观测也就需要随之修改。

除了超新星爆发之外,另外一种剧烈且神秘的宇宙学现象,也可以带给人类意想不到的收获。根据宇宙学模型,宇宙中大约有68%的成分是暗能量,27%为暗物质,剩下5%左右才是普通物质。但即使是这5%左右的普通物质,人类也很难全部发现。这些看得见、摸得到的普通物质,有一部分构成了宇宙中星系的可见部分,还有致密的气体云。经过计算,这些物质大约只占到了理论上普通物质的一半左右。剩下的一半普通物质在哪里?人们估计它们都散落在星系之间,但是因为密度太低而根本无法称量。

快速射电爆发(Fast Radio Burst)给了天文学家们一个独特的机会。这种极其明亮、持续时间又极短的宇宙现象,大多发生在遥远的星系,在人们还来不及做出反应时就已经结束了,因此极难确定它们发生的精确位置。随着技术的不断提高,人类开始观测到越来越多的快速射电爆发现象,也可以对极少数的快速射电爆发进行精确定位。这给了人们为宇宙间散落的普通物质称重的机会。

快速射电爆发所产生的电磁波信号,在宇宙空间中穿行时,遇到宇宙中的尘埃,例如自由电子,就会发生散射现象,犹如信号遇到阻碍而减慢了速度。低频信号相比于高频信号更容易受到阻碍,因此人类在探测到快速射电爆发现象时,总是先接收到其中的高频信号。如果能确定快速射电爆发的精确位置,并且计算其中高频信号和低频信号到达地球的时间差,那么人类也就能估算出快速射电爆发信号穿越了多少灰尘,进而计算出宇宙中散落的物质密度。

能够被精确定位的快速射电爆发并不多见。一组科学家在西澳大利亚利用“澳大利亚平方公里探路者望远镜阵列”(Australian SKA Pathfinder Telescope)——一组36个射电望远镜,在一个星系中确定了几次快速射电爆发的精确位置,并由此计算了宇宙中散落物质的密度。

2020年5月27日,他们在《自然》(Nature)杂志上发表论文《通过被定位的快速射电爆发对宇宙中的重子数进行普查》(A Census of Baryons in the Universe from Localized Fast Radio Bursts)。研究者发现,根据这种方法计算出的散落在星系间的普通物质,大概占到普通物质总量的一半左右,这与人们的理论计算是相符的。通过这种方法,人们还可以计算出宇宙中物质密度的变化。因为宇宙中的物质倾向于聚集在一起,形成一个网状结构。目前人们只能看到发光星系的聚集情况,而忽略了其间散落的普通物质。如果人类在未来可以对越来越多的快速射电爆发精确定位,那么就可以逐渐绘制出一幅普通物质在宇宙中的分布地图了。


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