星體

星體

大霹靂後剛剛平靜下來時·眩目的熱輻射燒毀了所看到的一切,熱輻射來自何方--依然是宇宙史上空白的一頁--"這無疑是威爾金森微波背景輻射各向異性探測器(WMAP)最激動人心的一個發現。"這也許是一個誇大的斷言,但坎布裏奇大學的天體物理學家J·奧斯特列克卻不承認失言。去年,檢驗了大霹靂留下的輻射的WMAP有了關于宇宙中的一個驚人發現。

大霹靂後,宇宙瞬間充滿了大量眩目的、熾熱的電子和氫離子以及氦離子。熾熱意味這些粒子具有非常大的能量,所以不能結合為中性的原子,宇宙需要38萬年才能冷卻到足以使電子和離子重新結合。宇宙初期,一些原子和分子互相碰撞聚結為第一批星體,這些星體發出的輻射又開始剝離周圍原子的電子,這一時期又稱為"再度電離"的時期。

但根據WⅥAP的分析,再度電離化開始于宇宙形成後僅2億年時。按照WMAP的設計師之一、新澤西州普林斯頓大學D·斯帕吉爾的看法,這比以前天文學家大多推測的要早7億年左右。

這一結果讓理論工作者忙著去尋求解釋:初期宇宙潛藏著什麽東西,能夠有足夠的能量使其氣體離子化?雖然天文學家最初一直猜想是第一批星體,現在卻開始懷疑有其他某種解釋。會不會是第一批黑洞甚至是否可能是暗物質

  • 中文名稱
    星體
  • 存在方式
    外太空
  • 組    成
  • 首發現人
    威爾金森

​宇宙初期

找到這些問題的答案一定會填補宇宙史的空白。按照聖克魯斯加利福尼亞大學P·麥道的看法,宇宙的初期是決定性的時期。"再度電離決定著隨後發生的一切,"他說。

星體

例如,考慮如何再度電離就能確定星系的大小。最終結合為星系的物質必須冷卻以後才能聚結成星系-太過熾熱,其組成就會跳動得十分劇烈,所以引力就不能把它們結合到一起。由于再度電離會加熱一切,因此除非引力足夠強大,否則無論什麽都難于結合到一起。因此銀河前雲團在有強烈的電離輻射下能聚結為星系的唯一可能,就是其規模十分大,因而其引力能克服推斥的能量。

再度電離

那麽,以前科學工作者估算的再度電離的起始時間何以如此離譜呢?首先,我們原先考慮和了解的一切都是以推論為基礎。估算都是以分析遙遠的類星體發出的光為基礎,這些類星體的能量是由把物質轉變為輻射的黑洞提供的。但是能顯示再度電離時期的類星體隻是在大霹靂後大約10億年才形成。推斷要多長時間才能形成第一批星體--第一批可能的再度電離輻射源--始終是非常棘手的問題。"WMAP讓我們首次有可能回溯到很遠。"斯帕吉爾說。

盡管WMAP不能直接看到第一批星體,但它能度量後者對宇宙微波背景的光子的極化效應(大霹靂剩留的輻射)。正是由于這個效應,WMAP才能確定開始再度電離的年代。

最有可能引起再度電離的,一定是這第一批星體。它們應是由當時僅有的氫和氦組成的(天文學家稱為"金屬"的,較氦重的元素直到後來被鑄成星體的核心時才存在)。但是這些星體一定得很巨大-要大到引力足以克服熱氣流的壓力。賓夕法尼亞州立大學的T·阿貝爾對這些星體的形成進行了電腦模擬,發現第一批星體應十分巨大:約為30至300太陽質量的數量級。

根據哈佛天體物理學家羅伊布的估算,這些星體的表面溫度應為1000000K,這樣的強熱足以產生大量紫外光子,後者能剝離氫分子的電子。100太陽質量左右的星體能電離1000萬太陽質量的氫,"這就是說,隻要宇宙全部氣體的1 / 100000轉化為這樣的星體就可使一切離子化,羅伊布說。"

盡管這些星體貌似想象中的引發再度電離的源頭,但這一構想仍然存在很大的問題。這些龐然大物雖然能引發再度電離過程,但它們或許不能一直進行到把初期宇宙中的一切物質全部離子化。這是因為它們的電離能會阻礙形成更多的星體。

宇宙爆炸後星體層級圖宇宙爆炸後星體層級圖

巨大的星體會分裂,並使周圍所有的氫分子離子化。然而氫分子對于星體形成過程至關重要,它是主要的冷卻劑。故一旦出現第一批星體,到相當數量的其他星體形成使宇宙中全部的(至少相當大的一部分)剩餘氣體再度電離,其間會有相當的滯後。

即使在阿貝爾的模擬中,似乎說明最早的一批星體可能出現在大霹靂以後僅1億年,當時(WMAP的資料表明宇宙已再度電離)全然不足以使宇宙再度電離。"還需要別的東西來做完這件事,"斯帕吉爾說。

那麽"別的"是什麽東西呢?或許它就是在第一批星體消失時形成的黑洞。發表于《天體物理學雜志》的論文中,坎布裏奇大學的麥道和裏斯等人認為,100太陽質量或更大質量的黑洞應是比星體大得多的電離輻射源。麥道說"如果沒弄錯的話,相對于星體來說,在輻射方面黑洞佔絕對優勢。"

形成黑洞

為求可靠起見,我們首先必須了解是否到處有足夠的這種黑洞。這取決于這些初期星體的質量。

天體物理學家早就知道巨大的星體會坍縮形成黑洞。但有些星體會一下子突然死亡,破裂為超新星。德國馬普研究院的謝亞迪認為,如果第一批巨星在40 - 140太陽質量之間,或大于260太陽質量的星體,當其死亡時就會形成黑洞。而140至260太陽質量之間的星體就會破裂為超新星。

然而要確定第一批星體的精確的質量分布卻十分困難。這要求強化模擬,利用形成星體的氣體的雲團,跟蹤從星體的生成到死亡的演變過程。不過可以用其他的一些方法來蒐集信息。定于今年晚些時候進入軌道的快速X射線望遠鏡會提供關于第一批黑洞豐度的信息。它將證實每年約有100個r射線爆裂,有些發生于宇宙十分年幼時。最近的看法認為,每一次爆裂就標志形成了一個新的黑洞。"如果第一批星體形成黑洞,那麽我們完全有可能用快速x射線望遠鏡看到它們。"阿貝爾說。

哈勃望遠鏡的第二代,詹姆斯·韋布太空望遠鏡定于2011年發射升空,它將能發現由第一批星體生成的超新星。"我們無法看到第一批星體本身,哪怕它們比太陽明亮百萬倍,"阿貝爾說,"如果超新星比太陽明亮10億倍,情況就完全不一樣。"

這些觀測有助于我們了解坍縮形成黑洞的第一批星體所佔的比例。到那時候,我們也就會得到宇宙射頻觀測的其他線索。中性的氫分子發出波長為21cm的輻射,但由于宇宙的膨脹紅移至較長的波長,繼續下去更是如此--因此回溯的時間更遠。這可以揭示再度電離的多種細節。首先,它可以讓我們了解產生離子化輻射的情況(主要由類星體引起離子化的宇宙),看來完全不同于主要由星體引起離子化的宇宙。這是因為類星體發射出X射線,而後者比由巨星體產生的紫外線傳得更遠,更均勻地擴散到宇宙中去。所以類星體較之星體會產生更大的離子化區域。

"是否可把宇宙想象成瑞士幹酪,"奧斯特列克說,"紫外線首先會使孔(星體周圍的光亮點)離子化,而X射線則往往使幹酪-其間大得多的低密度區離子化。"通過氫輻射的射電觀測可揭示初期宇宙離子化區域的大小和分布,有助于回答離了化主要是由星體還是由類星體造成的問題。

通過觀察中性氫分子不同紅移的豐度,天文學家可以獲得迅速發生再度電離的清晰圖像。這可以說明中性氫分子的信號隨著時間的推移而逐漸減弱,表明也會逐漸出現再度電離。反之,如果中性氫分子的信號迅速跌落至零,那就表明可能出現兩個分開的再度電離的峰,甚或多個峰。

"可能有各種不同的變化,我們不知道哪一種是正確的,"羅伊布說。但是我們可以比較快地得到某些答案:例如,今後10年內,荷蘭的覆蓋1平方公裏的射電望遠鏡陣列會源源不斷地提供各種資料。但還有若幹問題有待天文學家解決,方能確定星體和黑洞在再度電離中的重要性。如初期的類星體如果周圍沒有足夠的氣體進入其中的黑洞,那麽它就不會發光,現在還沒人能保證有足夠的"食物"來供應這此"餓獸"。

WM.AP的測定結果還是有一些值得商榷的不精確性。盡管該研究組確信再度電離開始于大霹靂後的2億年,但資料的誤差範圍就意味著可能發生在大霹靂後1億年至4億年之間。如果再度電離早在大霹靂後的1億年發生,宇宙學家就會用全新的物理過程來解釋它,因為看來在那麽早的時期無論如何不會有足夠數量的星體或黑洞等通常的離子化源引起再度電離。

一個可以接受的解釋乃是某種暗物質的衰變。物理學家認為,再度電離可能是由比正常的中微子重千萬倍的中性重中微子的衰變所引起的,但問題在于沒有人敢肯定這種中微子的存在。WMAP研究組正在對資料進行更精細的分析,普林斯頓大學的佩奇說,不久他們可望準確地說明再度電離開始于大霹靂以後1.5億至2億年間的某一時段,從而證實他們最近的實驗結果。

迄今為止,WMAP查明的其他一切--關于暗物質、暗能量宇宙年齡和宇宙狀態-"非常接近我們的推測",奧斯特列克說。但是所取得的有關再度電離的資料已經對我們關于宇宙初期的描述提出了質疑:宇宙初期的布局究竟是怎樣造成的?一旦獲得新的資料,就可彌補某些我們理解的缺陷,最終天文學家和宇宙學家就能夠書寫明確的宇宙史了。

宇宙初期黑洞和星系

利用巨型望遠鏡,天文學家發現了一個遙遠的恆星工廠。在那裏,每10小時就有誕生。這個恆星托兒所圍繞在一個超大黑洞周圍。該黑洞釋放出巨大的能量。這一發現為一個相對較新的觀點提供了證據,即黑洞和星系是在宇宙誕生初期共同成長起來的。

根據這一描述,黑洞的最初形成應伴隨著大量恆星的誕生,但是到目前為止,這一點很難證實。許多距離我們很遠的類星體--發光的各個星系,原來被認為是由大的中央黑洞來提供能量--如今則認為其中含有暖塵埃。這些暖塵埃在紅外線波長時發光。但目前尚不清楚的是,這種塵埃的加熱靠的是物質吸入黑洞時產生的能量,還是新生恆星的輻射。

模擬宇宙大霹靂

大霹靂模型

美國聖弗朗西斯科大學卡羅斯·蒙圖法爾博士指出,2007年實驗室的實驗將在歐洲由美國、日本和俄羅斯的科學家共同協作完成,目的是研究暗物質和暗能量?現代科學中最神秘的問題。

實驗思想基于模擬大霹靂之後千分之一秒發生的粒子碰撞,並將實驗結果與標準宇宙結構模型進行比較。科學家們指出,現代科學隻能解釋宇宙中4%的暗能量和暗物質。現代科學認為,宇宙是由于大約120~140億年前的一次大霹靂而誕生,從那時起宇宙在持續膨脹,膨脹特徵隻能用像"暗能量"這樣的作用力來解釋。

歷史發展到今天,關于宇宙的模型總算有了好幾個蘊藏著科學內涵的說法,其中最有影響的是"大霹靂宇宙學".它能夠解釋許多的觀測事實。這個理論的主要觀點是,認為"我們的宇宙"??"觀測到的宇宙"曾經有過一段從熱到冷的演化史。在這個時期內,宇宙體系在不斷地膨脹著,物 質密度也隨之從密到疏地演化。這一從熱到冷、從密到疏的過程如同一次規模巨大的爆炸。

前不久,來自美國、日本、歐洲和拉丁美洲的物理學家在厄瓜多加拉帕戈斯群島聖克利裏斯托瓦爾聚會,來自美國榮獲諾貝爾物理學獎的著名科學家弗蘭克·維爾切克和萊昂·萊德曼博士也參加這次聚會。

恆星:能夠自己發光發熱的星體,比如太陽和大多數發光的星星.

行星:按接近圓形軌道繞恆星轉的星體,比如八大行星、冥王星。

彗星:按拋物線軌道與恆星擦肩而過的,或者按曲率很大的橢圓軌道繞恆星轉動的星體.

衛星:繞行星轉動的星體,比如月亮、人造衛星、木星的各個衛星。

流星:在劃過大氣層時發光發亮的星體。

彗星

除了離太陽很遠時以外,彗星的長長的明亮稀疏的彗尾,在過去給人們這樣的印象,即認為彗星很靠近地球,甚至就在我們的大氣範圍之內。1577年第谷指出當從地球上不同地點觀察時,彗星並沒有顯出方位不同:因此他正確地得出它們必定很遠的結論。

每當彗星接近太陽時,它的亮度迅速地增強。對離太陽相當遠的彗星的觀察表明它們沿著被高度拉長的橢圓運動,而且太陽是在這橢圓的一個焦點上,與開普勒第一定律一致。彗星大部分的時間運行在離太陽很遠的地方,在那裏它們是看不見的。隻有當它們接近太陽時才能見到。

大約有40顆彗星公轉周期相當短(小于100年),因此它們作為同一顆天體會相繼出現。歷史上第一個被觀測到相繼出現的同一天體是哈雷彗星,牛頓的朋友和捐助人哈雷(1656一1742)在1705年認識到它是周期性的。它的周期是76年。歷史記錄表明自從公元前240年也可能自公元前466年來,它每次通過太陽時都被觀測到了。它最近一次是在1986年通過的。

離太陽很遠時彗星的亮度很低,而且它的光譜單純是反射陽光的光譜。當彗星進入離太陽8個天文單位以內時,它的亮度開始迅速成長並且光譜急劇地變化。科學家看到若幹屬于已知分子的明亮譜線。發生這種變化是因為組成彗星的固體物質(彗核)突然變熱到足以蒸發並以叫做彗發的氣體雲包圍彗核。太陽的紫外光引起這種氣體發光。

彗發的直徑通常約為105千米,但彗尾常常很長棗達108千米或1天文單位。彗尾被認為是由氣體和塵埃組成;4個聯合的效應將它從彗星上吹出:⑴當氣體和伴生的塵埃從彗核上蒸發時所得到的初始動量。⑵陽光的輻射壓將塵埃推離太陽。⑶太陽風將帶電粒子吹離太陽。⑷朝向太陽的萬有引力吸力。這些效應的相互作用使每個彗尾看上去都不一樣。當然,物質蒸發到彗發和彗尾中去,消耗了彗核的物質。有時以爆發的方式出現,比拉彗星就是那樣;1846年它通過太陽時破裂成兩個,1852年那次通過以後就全部消失。科學家估計一般接近太陽距離隻有幾個天文單位的彗星將在幾千年內瓦解。

公元1066年,諾曼人入侵英國前夕,正逢哈雷彗星回歸。當時,人們懷有復雜的心情,註視著夜空中這顆拖著長尾巴的古怪天體,認為是上帝給予的一種戰爭警告和預示。後來,諾曼人征服了英國,諾曼統帥的妻子把當時哈雷彗星回歸的景象綉在一塊掛毯上以示紀念。中國民間把彗星貶稱為"掃帚星"、"災星"。像這種把彗星的出現和人間的戰爭、飢荒、洪水、瘟疫等災難聯系在一起的事情,在中外歷史上有很多。

彗星是在扁長軌道(極少數在近圓軌道)上繞太陽運行的一種質量較小的雲霧狀小天體。

彗星的軌道

彗星的軌道有橢圓、拋物線、雙曲線三種。橢圓軌道的彗星又叫周期彗星,另兩種軌道的又叫非周期彗星。周期彗星又分為短周期彗星長周期彗星。一般彗星由彗頭和彗尾組成。彗頭包括彗核和彗發兩部分,有的還有彗雲。並不是所有的彗星都有彗核、彗發、彗尾等結構。中國古代對于彗星的形態已很有研究,在長沙馬王堆西漢古墓出土的帛書上就畫有29幅彗星圖。在晉書"天文志"上清楚地說明彗星不會發光,系因反射太陽光而為我們所見,且彗尾的方向背向太陽。彗星的體形龐大,但其質量卻小得可憐,就連大彗星的質量也不到地球的萬分之一。由于彗星是由冰凍著的各種雜質、塵埃組成的,在遠離太陽時,它隻是個雲霧狀的小斑點;而在靠近太陽時,因凝固體的蒸發、氣化、膨脹、噴發,它就產生了彗尾。彗尾體積極大,可長達上億千米。它形狀各異,有的還不止一條,一般總向背離太陽的方向延伸,且越靠近太陽彗尾就越長。宇宙中彗星的數量極大,但目前觀測到的僅約有1600顆。

彗星的軌道與行星的很不相同,它是極扁的橢圓,有些甚至是拋物線或雙曲線軌道。軌道為橢圓的彗星能定期回到太陽身邊,稱為周期彗星;軌道為拋物線或雙曲線的彗星,終生隻能接近太陽一次,而一旦離去,就會永不復返,稱為非周期彗星,這類彗星或許原本就不是太陽系成員,它們隻是來自太陽系之外的過客,無意中闖進了太陽系,而後又義無反顧地回到茫茫的宇宙深處。周期彗星又分為短周期(繞太陽公轉周期短于200年)和長周期(繞太陽公轉周期超過200年)彗星。目前,已經計算出600多顆彗星的軌道。彗星的軌道可能會受到行星的影響,產生變化。當彗星受行星影響而加速時,它的軌道將變扁,甚至成為拋物線或雙曲線,從而使這顆彗星脫離大陽系;當彗星減速時,軌道的偏心率將變小,從而使長周期彗星變為短周期彗星,甚至從非周期彗星變成了周期彗星以致被"捕獲"。

彗星的結構

彗星沒有固定的體積,它在遠離太陽時,體積很小;接近太陽時,彗發變得越來越大,彗尾變長,體積變得十分巨大。彗尾最長竟可達2億多千米。彗星的質量非常小,絕大部分集中在彗核部分。彗核的平均密度為每立方釐米1克。彗發和彗尾的物質極為稀薄,其質量隻佔總質量的1%--5%,甚至更小。彗星物質主要由水、氨、甲烷、氰、氮、二氧化碳等組成,而彗核則由凝結成凍的水、二氧化碳(幹冰)、氨和塵埃微粒混雜組成,是個"髒雪球"。

彗星的起源

彗星的起源是個未解之謎。有人提出,在太陽系外圍有一個特大彗星區,那裏約有1000億顆彗星,叫奧爾特雲,由于受到其它恆星引力的影響,一部分彗星進入太陽系內部,又由于木星的影響,一部分彗星逃出太陽系,另一些被"捕獲"成為短周期彗星;也有人認為彗星是在木星或其它行星附近形成的;還有人認為彗星是在太陽系的邊遠地區形成的;甚至有人認為彗星是太陽系外的來客。

因為周期彗星一直在瓦解著,必然有某種產生新彗星以代替老彗星的方式。可能發生的一種方式是在離太陽105天文單位的半徑上儲藏有幾十億顆以各種可能方向繞太陽作軌道運動的彗星群。這個概念得到觀測的支持,觀測到非周期彗星以隨機的方向沿著非常長的橢圓形軌道接近太陽。隨著時間的推移,由于過路的恆星給予的輕微引力,可以擾亂遙遠彗星的軌道,直至它的近日點的距離變成小于幾個天文單位。當彗星隨後進入太陽系時,太陽系內的各行星的萬有引力的吸力能把這個非周期彗星轉變成新的周期彗星(它瓦解前將存在幾千年)。另一方面,這些力可將它完全從彗星雲裏拋出。如果這說法正確,過去幾個世紀以來一千顆左右的彗星記錄隻不過是巨大彗星雲中很少一部分樣本,這種雲迄今尚未直接觀察到。與個別恆星相聯系的這種彗星雲可能遍及我們所處的銀河系內。迄今還沒有找到一種方法來探測可能與太陽結成一套的大量彗星,更不用說那些與其他恆星結成一套的彗星雲了。

彗星雲的總質量還不清楚,不隻是彗星總數很難確定,即使單個彗星的質量也很不確定。估計彗星雲的質量在10-13至10-3地球質量之間。

彗星的性質

彗星的性質還不能確切知道,因為它藏在彗發內,不能直接觀察到,但我們可由彗星的光譜猜測它的一些性質。通常,這些譜線表明存在有OH、NH和NH2基團的氣體,這很容易解釋為最普通的元素C、N和O的穩定氫化合物,即CH4,NH3和H2O分解的結果,這些化合物凍結的冰可能是彗核的主要成分。科學家相信各種冰和矽酸鹽粒子以松散的結構散布在彗核中,有些象髒雪球那樣,具有約為0.1克/立方釐米的密度。當冰受熱蒸發時它們遺留下松散的岩石物質,所含單個粒子其大小從104釐米到大約105釐米之間。當地球穿過彗星的軌道時,我們將觀察到的這些粒子看作是流星。有理由相信彗星可能是聚集形成了太陽和行星的星雲中物質的一部分。因此,人們很想設法獲得一塊彗星物質的樣本來作分析以便對太陽系的起源知道得更多。這一計畫理論上可以作到,如設法與周期彗星在空間做一次會合。目前這樣的計畫正在研究中。

彗星與生命

彗星是一種很特殊的星體,與生命的起源可能有著重要的聯系。彗星中含有很多氣體和揮發成分。根據光譜分析,主要是C2、CN、C3、另外還有OH、NH、NH2、CH、Na、C、O等原子和原子團。這說明彗星中富含有機分子。許多科學家註意到了這個現象:也許,生命起源于彗星!

1990年,NASA的Kevin. J. Zahule和Daid Grinspoon對白堊紀-第三紀界線附近地層的有機塵埃作了這樣的解釋:一顆或幾顆彗星掠過地球,留下的氨基酸形成了這種有機塵埃;並由此指出,在地球形成早期,彗星也能以這種方式將有機物質像下小雨一樣灑落在地球上----這就是地球上的生命之源

星體

重力(以地球重力為1)

(g)

脫離速度

(千米/秒)

公轉速度

(千米/秒)

傾斜角

扁圓球體

遞增結點經度

近日點經度

平衡溫度

(開)

表面溫度

(開)

表面大氣壓

大氣組成

水星

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

地球

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

生物學上將中心粒在有絲分裂中發出星狀細絲稱為星體

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