星体 - DGSO百科

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大爆炸后刚刚平静下来时·眩目的热辐射烧毁了所看到的一切,热辐射来自何方——依然是宇宙史上空白的一页——“这无疑是威尔金森微波背景辐射各向异性探测器(WMAP)最激动人心的一个发现。”这也许是一个夸大的断言,但坎布里奇大学的天体物理学家J·奥斯特列克却不承认失言。去年,检验了大爆炸留下的辐射的WMAP有了关于宇宙中的一个惊人发现。 大爆炸后,宇宙瞬间充满了大量眩目的、炽热的电子和氢离子以及氦离子。炽热意味这些粒子具有非常大的能量,所以不能结合为中性的原子,宇宙需要38万年才能冷却到足以使电子和离子重新结合。宇宙初期,一些原子和分子互相碰撞聚结为第一批星体,这些星体发出的辐射又开始剥离周围原子的电子,这一时期又称为“再度电离”的时期。 但根据WⅥAP的分析,再度电离化开始于宇宙形成后仅2亿年时。按照WMAP的设计师之一、新泽西州普林斯顿大学D·斯帕吉尔的看法,这比以前天文学家大多推测的要早7亿年左右。 这一结果让理论工作者忙着去寻求解释:初期宇宙潜藏着什么东西,能够有足够的能量使其气体离子化?虽然天文学家最初一直猜想是第一批星体,现在却开始怀疑有其他某种解释。会不会是第一批黑洞甚至是否可能是暗物质

宇宙初期

找到这些问题的答案一定会填补宇宙史的空白。按照圣克鲁斯加利福尼亚大学P·麦道的看法,宇宙的初期是决定性的时期。“再度电离决定着随后发生的一切,”他说。
例如,考虑如何再度电离就能确定星系的大小。最终结合为星系的物质必须冷却以后才能聚结成星系—太过炽热,其组成就会跳动得十分剧烈,所以引力就不能把它们结合到一起。由于再度电离会加热一切,因此除非引力足够强大,否则无论什么都难于结合到一起。因此银河前云团在有强烈的电离辐射下能聚结为星系的唯一可能,就是其规模十分大,因而其引力能克服推斥的能量。

再度电离

那么,以前科学工作者估算的再度电离的起始时间何以如此离谱呢?首先,我们原先考虑和了解的一切都是以推论为基础。估算都是以分析遥远的类星体发出的光为基础,这些类星体的能量是由把物质转变为辐射的黑洞提供的。但是能显示再度电离时期的类星体只是在大爆炸后大约10亿年才形成。推断要多长时间才能形成第一批星体——第一批可能的再度电离辐射源——始终是非常棘手的问题。"WMAP让我们首次有可能回溯到很远。”斯帕吉尔说。
尽管WMAP不能直接看到第一批星体,但它能度量后者对宇宙微波背景的光子的极化效应(大爆炸剩留的辐射)。正是由于这个效应,WMAP才能确定开始再度电离的年代。
最有可能引起再度电离的,一定是这第一批星体。它们应是由当时仅有的氢和氦组成的(天文学家称为“金属”的,较氦重的元素直到后来被铸成星体的核心时才存在)。但是这些星体一定得很巨大—要大到引力足以克服热气流的压力。宾夕法尼亚州立大学的T·阿贝尔对这些星体的形成进行了计算机模拟,发现第一批星体应十分巨大:约为30至300太阳质量的数量级。
根据哈佛天体物理学家罗伊布的估算,这些星体的表面温度应为1000000K,这样的强热足以产生大量紫外光子,后者能剥离氢分子的电子。100太阳质量左右的星体能电离1000万太阳质量的氢,“这就是说,只要宇宙全部气体的1 / 100000转化为这样的星体就可使一切离子化,罗伊布说。”
尽管这些星体貌似想象中的引发再度电离的源头,但这一设想仍然存在很大的问题。这些庞然大物虽然能引发再度电离过程,但它们或许不能一直进行到把初期宇宙中的一切物质全部离子化。这是因为它们的电离能会阻碍形成更多的星体。
宇宙爆炸后星体层级图 宇宙爆炸后星体层级图
巨大的星体会分裂,并使周围所有的氢分子离子化。然而氢分子对于星体形成过程至关重要,它是主要的冷却剂。故一旦出现第一批星体,到相当数量的其他星体形成使宇宙中全部的(至少相当大的一部分)剩余气体再度电离,其间会有相当的滞后。
即使在阿贝尔的模拟中,似乎说明最早的一批星体可能出现在大爆炸以后仅1亿年,当时(WMAP的数据表明宇宙已再度电离)全然不足以使宇宙再度电离。“还需要别的东西来做完这件事,”斯帕吉尔说。
那么“别的”是什么东西呢?或许它就是在第一批星体消失时形成的黑洞。发表于《天体物理学杂志》的论文中,坎布里奇大学的麦道和里斯等人认为,100太阳质量或更大质量的黑洞应是比星体大得多的电离辐射源。麦道说“如果没弄错的话,相对于星体来说,在辐射方面黑洞占绝对优势。”

形成黑洞

为求可靠起见,我们首先必须了解是否到处有足够的这种黑洞。这取决于这些初期星体的质量。
天体物理学家早就知道巨大的星体会坍缩形成黑洞。但有些星体会一下子突然死亡,破裂为超新星。德国马普研究院的谢亚迪认为,如果第一批巨星在40 - 140太阳质量之间,或大于260太阳质量的星体,当其死亡时就会形成黑洞。而140至260太阳质量之间的星体就会破裂为超新星。
然而要确定第一批星体的精确的质量分布却十分困难。这要求强化模拟,利用形成星体的气体的云团,跟踪从星体的生成到死亡的演变过程。不过可以用其他的一些方法来搜集信息。定于今年晚些时候进入轨道的快速X射线望远镜会提供关于第一批黑洞丰度的信息。它将证实每年约有100个r射线爆裂,有些发生于宇宙十分年幼时。最近的看法认为,每一次爆裂就标志形成了一个新的黑洞。“如果第一批星体形成黑洞,那么我们完全有可能用快速x射线望远镜看到它们。”阿贝尔说。
哈勃望远镜的第二代,詹姆斯·韦布太空望远镜定于2011年发射升空,它将能发现由第一批星体生成的超新星。“我们无法看到第一批星体本身,哪怕它们比太阳明亮百万倍,”阿贝尔说,“如果超新星比太阳明亮10亿倍,情况就完全不一样。”
这些观测有助于我们了解坍缩形成黑洞的第一批星体所占的比例。到那时候,我们也就会得到宇宙射频观测的其他线索。中性的氢分子发出波长为21cm的辐射,但由于宇宙的膨胀红移至较长的波长,继续下去更是如此——因此回溯的时间更远。这可以揭示再度电离的多种细节。首先,它可以让我们了解产生离子化辐射的情况(主要由类星体引起离子化的宇宙),看来完全不同于主要由星体引起离子化的宇宙。这是因为类星体发射出X射线,而后者比由巨星体产生的紫外线传得更远,更均匀地扩散到宇宙中去。所以类星体较之星体会产生更大的离子化区域。
“是否可把宇宙想象成瑞士干酪,”奥斯特列克说,“紫外线首先会使孔(星体周围的光亮点)离子化,而X射线则往往使干酪—其间大得多的低密度区离子化。”通过氢辐射的射电观测可揭示初期宇宙离子化区域的大小和分布,有助于回答离了化主要是由星体还是由类星体造成的问题。
通过观察中性氢分子不同红移的丰度,天文学家可以获得迅速发生再度电离的清晰图像。这可以说明中性氢分子的信号随着时间的推移而逐渐减弱,表明也会逐渐出现再度电离。反之,如果中性氢分子的信号迅速跌落至零,那就表明可能出现两个分开的再度电离的峰,甚或多个峰。
“可能有各种不同的变化,我们不知道哪一种是正确的,”罗伊布说。但是我们可以比较快地得到某些答案:例如,今后10年内,荷兰的覆盖1平方公里的射电望远镜阵列会源源不断地提供各种数据。但还有若干问题有待天文学家解决,方能确定星体和黑洞在再度电离中的重要性。如初期的类星体如果周围没有足够的气体进入其中的黑洞,那么它就不会发光,现在还没人能保证有足够的“食物”来供应这此“饿兽”。
WM.AP的测定结果还是有一些值得商榷的不精确性。尽管该研究组确信再度电离开始于大爆炸后的2亿年,但数据的误差范围就意味着可能发生在大爆炸后1亿年至4亿年之间。如果再度电离早在大爆炸后的1亿年发生,宇宙学家就会用全新的物理过程来解释它,因为看来在那么早的时期无论如何不会有足够数量的星体或黑洞等通常的离子化源引起再度电离。
一个可以接受的解释乃是某种暗物质的衰变。物理学家认为,再度电离可能是由比正常的中微子重千万倍的中性重中微子的衰变所引起的,但问题在于没有人敢肯定这种中微子的存在。WMAP研究组正在对数据进行更精细的分析,普林斯顿大学的佩奇说,不久他们可望准确地说明再度电离开始于大爆炸以后1.5亿至2亿年间的某一时段,从而证实他们最近的实验结果。
迄今为止,WMAP查明的其他一切——关于暗物质、暗能量宇宙年龄和宇宙状态—“非常接近我们的推测”,奥斯特列克说。但是所取得的有关再度电离的数据已经对我们关于宇宙初期的描述提出了质疑:宇宙初期的布局究竟是怎样造成的?一旦获得新的数据,就可弥补某些我们理解的缺陷,最终天文学家和宇宙学家就能够书写明确的宇宙史了。

宇宙初期黑洞和星系

利用巨型望远镜,天文学家发现了一个遥远的恒星工厂。在那里,每10小时就有诞生。这个恒星托儿所围绕在一个超大黑洞周围。该黑洞释放出巨大的能量。这一发现为一个相对较新的观点提供了证据,即黑洞和星系是在宇宙诞生初期共同成长起来的。
根据这一描述,黑洞的最初形成应伴随着大量恒星的诞生,但是到目前为止,这一点很难证实。许多距离我们很远的类星体——发光的各个星系,原来被认为是由大的中央黑洞来提供能量——如今则认为其中含有暖尘埃。这些暖尘埃在红外线波长时发光。但目前尚不清楚的是,这种尘埃的加热靠的是物质吸入黑洞时产生的能量,还是新生恒星的辐射。

模拟宇宙大爆炸

大爆炸模型

美国圣弗朗西斯科大学卡罗斯·蒙图法尔博士指出,2007年实验室的实验将在欧洲由美国、日本和俄罗斯的科学家共同协作完成,目的是研究暗物质和暗能量?现代科学中最神秘的问题。
实验思想基于模拟大爆炸之后千分之一秒发生的粒子碰撞,并将实验结果与标准宇宙结构模型进行比较。科学家们指出,现代科学只能解释宇宙中4%的暗能量和暗物质。现代科学认为,宇宙是由于大约120~140亿年前的一次大爆炸而诞生,从那时起宇宙在持续膨胀,膨胀特性只能用像“暗能量”这样的作用力来解释。
历史发展到今天,关于宇宙的模型总算有了好几个蕴藏着科学内涵的说法,其中最有影响的是“大爆炸宇宙学”.它能够解释许多的观测事实。这个理论的主要观点是,认为“我们的宇宙”??“观测到的宇宙”曾经有过一段从热到冷的演化史。在这个时期内,宇宙体系在不断地膨胀着,物 质密度也随之从密到疏地演化。这一从热到冷、从密到疏的过程如同一次规模巨大的爆炸。
前不久,来自美国、日本、欧洲和拉丁美洲的物理学家在厄瓜多尔加拉帕戈斯群岛圣克利里斯托瓦尔聚会,来自美国荣获诺贝尔物理学奖的著名科学家弗兰克·维尔切克和莱昂·莱德曼博士也参加这次聚会。
恒星:能够自己发光发热的星体,比如太阳和大多数发光的星星.
行星:按接近圆形轨道绕恒星转的星体,比如八大行星冥王星
彗星:按抛物线轨道与恒星擦肩而过的,或者按曲率很大的椭圆轨道绕恒星转动的星体.
卫星:绕行星转动的星体,比如月亮、人造卫星、木星的各个卫星。
流星:在划过大气层时发光发亮的星体。

彗星

除了离太阳很远时以外,彗星的长长的明亮稀疏的彗尾,在过去给人们这样的印象,即认为彗星很靠近地球,甚至就在我们的大气范围之内。1577年第谷指出当从地球上不同地点观察时,彗星并没有显出方位不同:因此他正确地得出它们必定很远的结论。
每当彗星接近太阳时,它的亮度迅速地增强。对离太阳相当远的彗星的观察表明它们沿着被高度拉长的椭圆运动,而且太阳是在这椭圆的一个焦点上,与开普勒第一定律一致。彗星大部分的时间运行在离太阳很远的地方,在那里它们是看不见的。只有当它们接近太阳时才能见到。
大约有40颗彗星公转周期相当短(小于100年),因此它们作为同一颗天体会相继出现。历史上第一个被观测到相继出现的同一天体是哈雷彗星,牛顿的朋友和捐助人哈雷(1656一1742)在1705年认识到它是周期性的。它的周期是76年。历史记录表明自从公元前240年也可能自公元前466年来,它每次通过太阳时都被观测到了。它最近一次是在1986年通过的。
离太阳很远时彗星的亮度很低,而且它的光谱单纯是反射阳光的光谱。当彗星进入离太阳8个天文单位以内时,它的亮度开始迅速增长并且光谱急剧地变化。科学家看到若干属于已知分子的明亮谱线。发生这种变化是因为组成彗星的固体物质(彗核)突然变热到足以蒸发并以叫做彗发气体云包围彗核。太阳的紫外光引起这种气体发光。
彗发的直径通常约为105千米,但彗尾常常很长枣达108千米或1天文单位。彗尾被认为是由气体和尘埃组成;4个联合的效应将它从彗星上吹出:⑴当气体和伴生的尘埃从彗核上蒸发时所得到的初始动量。⑵阳光的辐射压将尘埃推离太阳。⑶太阳风将带电粒子吹离太阳。⑷朝向太阳的万有引力吸力。这些效应的相互作用使每个彗尾看上去都不一样。当然,物质蒸发到彗发和彗尾中去,消耗了彗核的物质。有时以爆发的方式出现,比拉彗星就是那样;1846年它通过太阳时破裂成两个,1852年那次通过以后就全部消失。科学家估计一般接近太阳距离只有几个天文单位的彗星将在几千年内瓦解。
公元1066年,诺曼人入侵英国前夕,正逢哈雷彗星回归。当时,人们怀有复杂的心情,注视着夜空中这颗拖着长尾巴的古怪天体,认为是上帝给予的一种战争警告和预示。后来,诺曼人征服了英国,诺曼统帅的妻子把当时哈雷彗星回归的景象绣在一块挂毯上以示纪念。中国民间把彗星贬称为“扫帚星”、“灾星”。像这种把彗星的出现和人间的战争、饥荒、洪水、瘟疫等灾难联系在一起的事情,在中外历史上有很多。
彗星是在扁长轨道(极少数在近圆轨道)上绕太阳运行的一种质量较小的云雾状小天体。

彗星的轨道

彗星的轨道有椭圆、抛物线、双曲线三种。椭圆轨道的彗星又叫周期彗星,另两种轨道的又叫非周期彗星。周期彗星又分为短周期彗星长周期彗星。一般彗星由彗头和彗尾组成。彗头包括彗核彗发两部分,有的还有彗云。并不是所有的彗星都有彗核彗发、彗尾等结构。中国古代对于彗星的形态已很有研究,在长沙马王堆西汉古墓出土的帛书上就画有29幅彗星图。在晋书“天文志”上清楚地说明彗星不会发光,系因反射太阳光而为我们所见,且彗尾的方向背向太阳。彗星的体形庞大,但其质量却小得可怜,就连大彗星的质量也不到地球的万分之一。由于彗星是由冰冻着的各种杂质、尘埃组成的,在远离太阳时,它只是个云雾状的小斑点;而在靠近太阳时,因凝固体的蒸发、气化、膨胀、喷发,它就产生了彗尾。彗尾体积极大,可长达上亿千米。它形状各异,有的还不止一条,一般总向背离太阳的方向延伸,且越靠近太阳彗尾就越长。宇宙中彗星的数量极大,但目前观测到的仅约有1600颗。
彗星的轨道与行星的很不相同,它是极扁的椭圆,有些甚至是抛物线或双曲线轨道。轨道为椭圆的彗星能定期回到太阳身边,称为周期彗星;轨道为抛物线或双曲线的彗星,终生只能接近太阳一次,而一旦离去,就会永不复返,称为非周期彗星,这类彗星或许原本就不是太阳系成员,它们只是来自太阳系之外的过客,无意中闯进了太阳系,而后又义无反顾地回到茫茫的宇宙深处。周期彗星又分为短周期(绕太阳公转周期短于200年)和长周期(绕太阳公转周期超过200年)彗星。目前,已经计算出600多颗彗星的轨道。彗星的轨道可能会受到行星的影响,产生变化。当彗星受行星影响而加速时,它的轨道将变扁,甚至成为抛物线或双曲线,从而使这颗彗星脱离大阳系;当彗星减速时,轨道的偏心率将变小,从而使长周期彗星变为短周期彗星,甚至从非周期彗星变成了周期彗星以致被“捕获”。

彗星的结构

彗星没有固定的体积,它在远离太阳时,体积很小;接近太阳时,彗发变得越来越大,彗尾变长,体积变得十分巨大。彗尾最长竟可达2亿多千米。彗星的质量非常小,绝大部分集中在彗核部分。彗核的平均密度为每立方厘米1克。彗发和彗尾的物质极为稀薄,其质量只占总质量的1%--5%,甚至更小。彗星物质主要由水、氨、甲烷、氰、氮、二氧化碳等组成,而彗核则由凝结成冰的水、二氧化碳(干冰)、氨和尘埃微粒混杂组成,是个“脏雪球”。

彗星的起源

彗星的起源是个未解之谜。有人提出,在太阳系外围有一个特大彗星区,那里约有1000亿颗彗星,叫奥尔特云,由于受到其它恒星引力的影响,一部分彗星进入太阳系内部,又由于木星的影响,一部分彗星逃出太阳系,另一些被“捕获”成为短周期彗星;也有人认为彗星是在木星或其它行星附近形成的;还有人认为彗星是在太阳系的边远地区形成的;甚至有人认为彗星是太阳系外的来客。
因为周期彗星一直在瓦解着,必然有某种产生新彗星以代替老彗星的方式。可能发生的一种方式是在离太阳105天文单位的半径上储藏有几十亿颗以各种可能方向绕太阳作轨道运动的彗星群。这个概念得到观测的支持,观测到非周期彗星以随机的方向沿着非常长的椭圆形轨道接近太阳。随着时间的推移,由于过路的恒星给予的轻微引力,可以扰乱遥远彗星的轨道,直至它的近日点的距离变成小于几个天文单位。当彗星随后进入太阳系时,太阳系内的各行星的万有引力的吸力能把这个非周期彗星转变成新的周期彗星(它瓦解前将存在几千年)。另一方面,这些力可将它完全从彗星云里抛出。如果这说法正确,过去几个世纪以来一千颗左右的彗星记录只不过是巨大彗星云中很少一部分样本,这种云迄今尚未直接观察到。与个别恒星相联系的这种彗星云可能遍及我们所处的银河系内。迄今还没有找到一种方法来探测可能与太阳结成一套的大量彗星,更不用说那些与其他恒星结成一套的彗星云了。
彗星云的总质量还不清楚,不只是彗星总数很难确定,即使单个彗星的质量也很不确定。估计彗星云的质量在10-13至10-3地球质量之间。

彗星的性质

彗星的性质还不能确切知道,因为它藏在彗发内,不能直接观察到,但我们可由彗星的光谱猜测它的一些性质。通常,这些谱线表明存在有OH、NH和NH2基团的气体,这很容易解释为最普通的元素C、N和O的稳定氢化合物,即CH4,NH3和H2O分解的结果,这些化合物冻结的冰可能是彗核的主要成分。科学家相信各种冰和硅酸盐粒子以松散的结构散布在彗核中,有些象脏雪球那样,具有约为0.1克/立方厘米的密度。当冰受热蒸发时它们遗留下松散的岩石物质,所含单个粒子其大小从104厘米到大约105厘米之间。当地球穿过彗星的轨道时,我们将观察到的这些粒子看作是流星。有理由相信彗星可能是聚集形成了太阳和行星的星云中物质的一部分。因此,人们很想设法获得一块彗星物质的样本来作分析以便对太阳系的起源知道得更多。这一计划理论上可以作到,如设法与周期彗星在空间做一次会合。目前这样的计划正在研究中。

彗星与生命

彗星是一种很特殊的星体,与生命的起源可能有着重要的联系。彗星中含有很多气体和挥发成分。根据光谱分析,主要是C2、CN、C3、另外还有OH、NH、NH2、CH、Na、C、O等原子和原子团。这说明彗星中富含有机分子。许多科学家注意到了这个现象:也许,生命起源于彗星!
1990年,NASA的Kevin. J. Zahule和Daid Grinspoon对白垩纪-第三纪界线附近地层的有机尘埃作了这样的解释:一颗或几颗彗星掠过地球,留下的氨基酸形成了这种有机尘埃;并由此指出,在地球形成早期,彗星也能以这种方式将有机物质像下小雨一样洒落在地球上----这就是地球上的生命之源
星体
重力(以地球重力为1)
(g)
脱离速度
(千米/秒)
公转速度
(千米/秒)
倾斜角
扁圆球体
递增结点经度
近日点经度
(开)
表面温度
(开)
表面大气压
大气组成
0.378
⒋25
47.87
0
48.35
77.44
449
440
0
--
金星
0.905
⒑36
35.02
177.36
76.72
131.56
328
730
93
CO2,N2
⒈000
⒒18
29.79
23.45
0.00335
354.90
102.83
279
287
1
N2,O2,Ar
火星
0.379
⒌02
24.13
25.19
0.00519
49.60
335.99
226
218
0.007
CO2,N2,Ar
木星
⒉529
59.56
⒔06
⒊13
0.06481
100.47
⒖63
122
120
(x)
H2,He
土星
⒈066
35.49
⒐66
26.73
0.1076
113.71
92.80
90
88
H2,He
天王星
0.903
21.30
⒍80
97.86
0.030
74.06
176.29
64
59
H2,He,CH4
海王星
⒈096
23.50
⒌44
29.60
0.026
131.81
⒈95
51
48
H2,He,CH4
冥王星
0.069
⒈22
⒋74
122.52
110.42
224.59
44
37
1e-5
N2,CH4,CO
生物学上将中心粒在有丝分裂中发出星状细丝称为星体