第二十章  天体和宇宙

 [基本要求]

    1. 初步了解现在宇宙的概貌;了解太阳的内部结构、太阳大气层的概述和太阳活动对地球环境的影响;了解太阳系九大行星的基本状况,能分析地球上适合生命存在的条件;

    2. 了解恒星演化的大致过程,理解赫-罗图在分析恒星演化过程的作用,知道恒星在赫-罗图上的位置所能提供的信息;

    3. 理解恒星演化到最后的产物是白矮星、中子星或黑洞,掌握这些致密天体的共同特征和基本差异;

    4. 掌握大爆炸宇宙学的观测、实验基础和理论基础,掌握大爆炸宇宙学的基本思想和对宇宙膨胀的规律的分析。

[参考资料]

一、黑洞理论研究的新进展 

    黑洞辐射(即霍金辐射)的理论,是英国物理学家斯蒂芬× 霍金于19世纪70年代首次提出的。在引入这一理论时,霍金还认为,黑洞辐射不包含以前吸入物质的相关信息,而且随着黑洞的消失,这些相关信息也会相应消失。这就制造了物理学上的一个难题,因为这与物理学中认为物质信息不会完全消失的理论相矛盾。这称为“黑洞悖论”,也称“黑洞信息佯谬”。尽管霍金自己辩讲解,黑洞中的量子运动是一种特殊状况,由于黑洞的引力场过于强大,量子力学的规律并不适用。但这总不能令人信服,因而受到了许多科学家的质疑。近30年来,这似乎成了一个悬案。

    近来,事情的发展出现了转机。2004721日在都柏林举行的“第17届国际广义相对论和万有引力大会”上,霍金宣布了他对黑洞研究的最新成果。他说,他先前的关于黑洞的部分理论是错误的。他现在认为,黑洞不会将进入其中的物质的信息淹没,在经过相当漫长的时间后,它会把这些曾被它吸入的物质信息“撕碎”后向外界释放出来。用霍金自己的话说,就是,“它会向外辐射其吞噬的物质所有信息。不过,这些信息已经被黑洞撕碎、打破和重整了。”在霍金的新理论中,黑洞最终会释放出全部信息,他通过计算证明,黑洞内部最初的信息量与最终的信息量相等,但未说明中间阶段黑洞的信息量有何变化。

    霍金的新假说将使有关黑洞的理论研究进入新的阶段。

    有些科学家认为,霍金的新理论或许能够解决黑洞信息佯谬。还有些科学家对于他能否彻底解决黑洞信息佯谬这个非常复杂的问题,表示怀疑。对于他的新理论也还有待于同行的检验。

中国科学家从1996年开始就用弦理论为黑洞物理的发展作出了很多贡献。根据这个理论,宇宙万物并不是由人们通常认为的点状粒子组成,而是由细小的、可振动的一维弦所组成。20053月,美国俄亥俄州立大学有人发表论文,运用弦理论构建了一个特殊黑洞模型,证明了其霍金辐射包含了黑洞的内部信息。不过他对天体物理学中最普遍的黑洞的信息佯谬,并没有给出说明。

我国学者中有人认为黑洞是封闭的天体。根据能量守恒和天体的运动速度不能大于光速,当其它天体进入“黑洞”后,它相对“黑洞”的势能转变为“黑洞”的运动动能,所以其它天体不可能无限地靠近黑洞,黑洞与其它天体之间最短距离是“临界半径”。这表明,一个黑洞天体一旦形成,其他物质既不能进入,也不能从中逃逸。像“黑洞”这样独立的宇宙似乎不只一个,它们都有自己的确切边界且互不相通,而人类只能观察到自己所在的宇宙。

印度有一位理论物理学家名叫阿布哈斯-米特拉,他对霍金的黑洞理论提出了质疑,他认为,宇宙黑洞根本不可能存在。早在4年前,他就发表了一篇质疑黑洞理论的论文,文中指出,霍金的黑洞理论存在着明显的缺陷,宇宙黑洞是不可能存在的,因为霍金所阐述的黑洞的形状和存在方式与爱因斯坦的广义相对论根本不相符合。对于米特拉的论文,有些人是赞同的,然而很多主流科学家不屑一顾,一直没有哪一位科学家与之辩论,即使米特拉点名邀请辩论也无济于事。

好在物理学是一门理论与实验密切结合的学科,任何理论都必定要受到实验、观测结果的检验。

对火星的探测 

在教材§20-2中大家曾经描述过火星这颗“红色星球”的概述,无论大小、质量、大气层以及地貌和气候,都与地球有很大的差异,但是在太阳系中它毕竟是与地球最相似的一颗行星。多年来,地球人花费了巨大的财力、物力和各种高科技手段对火星进行探测,当前这种探测集中在探寻火星上水和生命的痕迹。

因为在地球上可以观测,火星上的干涸河床、湖泊和湖泊里的沉积矿,以及各种各样的矿物质,这些矿物质可能只有在温泉环境中才能找到。所以人们猜测,在相当久远的年代以前,火星表面可能曾经是比较温暖、比较湿润、的确是与地球环境比较相似的地方。

美国宇航局(NASA)发射的勇气号和机遇号火星探测器,于20041月先后在火星表面着陆。它们的主要任务是在火星表面寻找是否曾经存在过的水的证据

20-1   “机遇号传回的火星表面近景

目前传回的数据和图片似乎表明,曾有液态水从火星探测器着陆区域的岩石上流过。

从照片发现岩石上嵌有小球,这些小球并不是集中在岩石的特定岩层中的,它们有可能是溶解于水中的矿物质沉积在被水浸泡着的多孔岩石中形成的。

还发现岩石上有很多奇怪的小孔。据推测,如果盐类晶体在盐水中的岩石内部成长,然后由于腐蚀或溶解而使这些盐类晶体消失,就会留下这样的小孔。

在岩层中还发现了大量的硫酸盐,这表明,岩石曾经浸泡在水中。经火星探测器携带的穆斯堡尔谱仪的分析,还发现在岩石中含有水合硫酸铁。在地球上,处于酸性湖泊或酸性温泉环境下有可能会形成这种矿物质。

在“机遇”号驶出着陆舱之前,它已经利用微型热辐射光谱仪分析了自己着陆区域的岩石成分,断定在这个区域可能有20% 的面积蕴藏着赤铁矿。而赤铁矿通常是在有液态水的环境下才能生成。所以,找到它就能证明火星上曾经存在过液态水。

在一个陨石坑附近发现了一些岩石,经分析确定它们是水成岩,不但岩石有被水浸透过的迹象,而且它们的排列方式也带有明显的被流水冲刷而不是风蚀作用的痕迹。科学家们断定这些岩石是长期处在大约5 cm深的水流中,水流的速度约为10~50 m×s-1

火星探测器到达了一个可能曾经是盐水海洋的位置,那里有时会有浅水,有时又是干燥的。在地球上,这种环境同样会产生与火星上形状相同的岩石。科学家们目前还不知道这个海洋有多大、有多深以及如何形成的。即使这样,这一发现也可谓是火星探测器取得的重大成就之一。

从以上这些发现,似乎可以断定火星地表曾经存在过水。通过对探测器搜集的岩石数据进行分析之后,20043NASA宣布,找到了火星上有液态水流动过的确切证据。但是,根据“机遇”号现有的观测数据,目前还无法断定火星探测器着陆和被探测的区域的湿润环境到底持续过多长时间。问题的答案需要通过发射探测器登上火星采集样本,并将其带回地面研究后才能得出。

既然火星上有液态水流动过的确切证据,人们自然会想到另一些问题,是不是火星环境保留不住液态水?如果是这样的话,那么当初这些液态水是从何处和如何来到火星的?又是通过何种途径消失的?

另外,就是火星上是否存在或存在过生命的问题。从理论上讲,如果火星上有水存在,就应该有可能存在过生物。科学家们强调,发现火星上曾经有过适合生命栖居的环境,并不意味着火星上就一定存在过生命。他们认为,目前还不可能找到微生物的化石。

美国宇航局计划于2005810日发射另一艘火星探测飞船¾¾“火星勘测轨道飞行器”,飞行约7个月的时间,于20063月进入火星轨道。它携带了高分辨率的照相设备,可用来精确探测火星的地形、地貌,为以后登陆火星选择风险最小的地点;它携带了气候探测仪和浅表层探测雷达,用以测定火星大气中沙尘和水的循环,并进一步分析火星地表的矿物;它还携带了数据通信设备,可成为未来各种探测飞船与地球通信联系的中继站,用以构建“太空互联网”。

三、“信使”号水星探测器正在飞往水星

水星探测器“信使”号已于200483日凌晨发射升空,预计它将于20113月进入环水星轨道,并开始对水星进行科学探测。此后大约一年,燃料将耗尽,残骸可能会坠落到水星表面。

上个世纪70年代,“水手10”号飞船曾成功地飞越水星,获得了大量关于水星的资料。其中最使人感到意外的是,发现水星上拥有分布于整个星球的磁场。在这一发现之前,在类地行星中,地球是惟一具有这种特征的行星。水星磁场的磁感应强度仅为地球的百分之一左右,但磁场位形却与地球相似,也是偶极场。“信使”号将对水星磁场进行长时间的详细观测,进而确定水星磁场的分布及其变化规律。

1991年,科学家们在水星两极的环形山内侧发现有不同寻常的亮点,这是该地区的某种物质对电磁波讯号具有很高反射率造成的。那么这是些什么物质呢?人们普遍认为,这种物质很可能是地表或地下的冰。但也有科学家推测,水星两极的沉积物可能是由其他材料构成的。“信使”号将为解开这个谜团作出贡献。

人们认为,水星上保存着大约46亿年(地球的年龄)前类地行星形成环境的重要信息。可以预计,“信使”号对水星的探测将有可能揭开类地行星形成和演化的奥妙。

“水手10”号飞船曾拍摄了水星45 %的表面照片,照片上显示水星表面布满大大小小的陨石坑和环形山,与月球表面极为相似。照片还表明,陨石坑和环形山保持着水星早期遭陨石轰击的记录,这就是其周围仍有明显的辐射状条纹。这种辐射状条纹至今清晰可见,证明水星表面未经风化过,也就是说,水星上不曾有过大气。同时,也未观测到这些辐射状条纹曾被侵蚀过的痕迹,说明那里也未曾存在过水或其他液态物质。

陨石坑和环形山所展现的水星表面景象,显示出它和月球一样是在形成后不久就出现了地壳,后又受到陨石的剧烈撞击。由于这种撞击所产生的冲击波传播到水星内部,并在内部造成了复杂的凹凸起伏。观测还发现,水星表层物质的分布也不是均匀的,而是以分层方式分布的。科学家们希翼能通过“信使”号的探测,确定水星表发生的各种地质过程。

水星内核结构如何?它的体积与月球相近,而其密度则比月球大得多,仅比地球略低些,在太阳系类地行星中位居第二。有人估计,它的中心可能存在一个与月球大小相近的铁镍组成的核心。“信使”号对水星内核结构的研究,也将有助于揭示它和地球磁场的奥妙。

水星拥有极为稀薄的大气层,水星大气层中已知存在氢、氦、氧、钠、钾和钙等6种元素,目前的认识,认为这些元素是通过各自不同的渠道和不同的方式进入水星大气层的。信使号将研究水星大气层的构成,并确定各种分子究竟通过何种方式进入或产生。

、“惠更斯”号探测器土卫六上着陆

美国宇航局、欧洲航天局和意大利航天局联合研制的“惠更斯”号土卫六探测器,于199710月由美国宇航局的“卡西尼”号飞船携带升空。经过七年多的飞行,行程35亿公里,于2005114日成功地在土卫六上着陆,并开始发回数据和图片。

在距离土卫六表面约19公里的空中,惠更斯拍到了厚厚的一层白色云雾,但随着与土卫六表面距离的缩短,白色云雾逐渐稀薄直到消失。这种白色薄雾也许主要是甲烷气体。在距离土卫六表面16公里处拍摄的照片上,可以看到好像是海岸线或运河的地形。着陆后发回的照片显示,眼前是一大片液态物质,这与其他区域的凹凸、粗糙的表面相比,显得十分突出。这种液态物质可能就是液态甲烷,而惠更斯号探测器就停在离这个甲烷海的海岸线几米以外的地方。

1030_2005022308340575244500.gif20-2  “卡西尼-惠更斯”探测器发回的土卫六照片

科学家们曾推测,土卫六表面是由液态甲烷组成的湖泊、河流以及大大小小的冰块构成的,正如大家在教材§20-2中曾经叙述的那样,现在从接收到的数据和照片中似乎可以证明这一点。不过,由于土卫六的气温较低和大气压较高,应使甲烷以固态的形式存在。

土卫六上如此丰富的甲烷是从哪里来的呢?在人类生活的地球上,甲烷主要产生于细菌等生物体。在没有生命的土卫六上,甲烷必定有其他来源。科学家们断定,土卫六上的甲烷必定来自星体内部。在惠更斯着陆前3分钟内,分析仪器测定,在以氮气为主要成分的土卫六大气层中,氮气稳定的地方,甲烷的浓度在逐渐增大。

对所获得的土卫六的照片、数据和资料进行了分析之后显示,从地貌演化的物理过程来看,土卫六这颗土星最大的卫星是一颗与地球有着诸多相似之处的星球。而从参与地貌演化的物质种类而言,土卫六与地球却存在着明显差异:土卫六上没有液态水,只有液态甲烷,甲烷在土卫六上的角色就如同地球上的水;没有硅酸盐岩石,只有固态的含水冰块;没有泥土质的土壤,只有由碳氢化合物颗粒沉淀和冰块形成的地表。

在土卫六上各种气象活动频繁发生,有降水、侵蚀和海蚀等文活动的痕迹。在“惠更斯”号着陆地附近,发现有类似于地球上的岩石那样的白色石块,可能就是冰块,它们大多呈现鹅卵石的形状,这表示,它们受到过冲刷或侵蚀的作用。有迹象显示,在“惠更斯”号着陆前不久,那里发生过一次降水(甲烷雨)

在土卫六上各种地质活动也相当活跃。围绕土卫六运行的卡西尼飞船探测到,土卫六表面存在纵横交错的沟渠,这些沟渠从高原延伸到低海拔地区,最终汇合形成湖泊,并且还发现湖泊中有类似地球上岛屿的地形。现在这些河流和湖泊都已经干涸。据猜测,这些沟渠可能是被蠕动的冰冲出来的,因为冰冻火山的火山口喷出的是冰,而不是熔岩。不过土卫六上存在冰火山的证据,目前尚不充分。

科学家认为,土卫六上具有构成地球的所有元素,但所有的水都被冻结为固体,那里没有氧气,再加上-180°C的低温,无法进行像在地球上导致生命演化的那样的化学反应。从惠更斯号发回的照片判断,土卫六上目前还没有生命,但是再经过20亿年很可能会诞生生命。科学家们说:大家不期待在土卫六上发现生命,因为那里太冷了。但大家期待发现原始的冰激凌,这种复杂的化学物质可能是生命的先兆。

科学家们还认为,土卫六是太阳系中惟一已知有云和稠密大气的卫星,它很像40亿年前的地球,对它的探测有助于揭开生命诞生之谜。

惠更斯号上的麦克风曾记录到了土卫六上的一种呼啸而过的巨大声响,科学家目前还没有对此得出结论。不过探测器上的仪器已经探测到,土卫六上有风吹过,其时速约为24公里。但是记录到的声响与探测到的风是不是同一件事,尚不得而知。

、“深度撞击”号成功击中彗星

2005112美国宇航局发射了深度撞击彗星探测器。该探测器沿预定轨道运行了4.31亿公里,于200572太平洋时间2307 (北京时间731407)释放出了撞击器。这个撞击器是由铜合金材料制成的,体积约3.14 m3,质量近400 kg 200573太平洋时间2252(北京时间741352)撞击器成功地击中了坦普尔1彗星。

负责此项目的科学家比喻说,撞击器与彗星相撞就好比“往飞速运动的针眼里穿线”,难度是可想而知的。坦普尔1号彗星以每秒30 km的高速运动,而在其轨道前方的“深度撞击”号探测器连同它所携带的撞击器的飞行速度约为每秒20 km,可见撞击器与彗星相撞的相对速度约为10 km×s-1,相撞瞬间的爆发力约相当于4.5吨炸药的威力。探测器弹射出撞击器后必须立即调整姿态迅速脱离原先的轨道,以免与彗星相撞或被撞击时飞溅的碎屑击中,它还要承担记录、拍摄并向地面传输科学数据的任务。

20-3  深度撞击号探测器释放的撞击器击中 坦普尔1号彗星

人们不禁要问:为什么竟要耗资3.33亿美金去撞击一块石头?大家已经探知,彗星是太阳系中最古老的原始天体,在太阳系中的行星形成之初它就已经存在于太阳系中了,并且由于彗星是在太阳系的外部边缘形成的,彗核内部至今仍然保存一些完好的自然物质,它们是太阳系形成时的最原始的物质,这些物质携带着太阳系诞生时的珍贵信息。撞击器击中彗星的彗核后,会在其表面轰出坑洞就会使这些物质暴露出来。另外,在撞击时迸发出了大量的冰屑、尘埃以及各种自然物质,这些都被附近的深度撞击彗星探测器所携带的探测仪器记录和拍摄。这些资料都会为探索太阳系在46亿年前形成、及其形成过程提供重要信息

撞击器撞击坦普尔1号彗星前后,“深度撞击彗星探测器共拍摄了约4500幅照片,为科学分析提供了重要的依据。发回的照片中显示,撞击器25° 的倾角撞击彗核的表面后,使覆盖在彗核表面的碎屑以5 km×s-1速度向空中飞溅,并在彗星上空形成一团云雾。图20-3撞击器击中坦普尔1号彗星时的照片。出乎意料的是,覆盖在彗核表面的碎屑竟然细小到如同滑石粉末一般,并且在久远的年代里,在漫长的行程中,竟然没受到外界的扰动。分析表明,这些碎屑中含有水、二氧化碳和简单的有机物,其中水的含量远小于原先的估计。

由于彗星曾于史前时期撞击过地球,因此它当时所带来的一些物质可能导致地球生物在进化过程中的某种变化。

这种变化包括两种情形,一种情形是当彗星和其他小行星撞击地球时,为地球带来了水、冰和有机物,而在合适的条件下有机物可能演化为生命,所以研究彗星对于揭示地球和宇宙生命的起源具有重要意义。

另一种情形是像6500万年前的一次“彗星撞击地球”,造成大量生命物种的灭绝,其中最为熟知的是恐龙的灭绝。这种情形今后还会发生吗?1994年发生的彗星与木星的碰撞,不能不引起人类对在地球上再次发生这种情形的担忧。这次“深度撞击”作为一次实验,提供了改变彗星运行轨道的方法。据说,中国科学家设想了另一种改变彗星运行轨道的方法,称为“黏着法”,即发射具有动力装置的飞行器,黏附在可能撞击地球的彗星上,利用飞行器的动力,改变彗星原先的运行轨道,避免与地球相撞。

       
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