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上世纪九十年代的重大科技成就之一

来源:中国教育信息化网
作者:李志民

  哈勃空间望远镜

  科学探索和研究工作几百年前就开始了,但是在上个世纪九十年代,整个科学技术的发展出现了以前从来没有的重大变化,可以说是质的变化。这些发明和发现使得人类认识自然界的领域,对自然界进行研究的深度和广度从来没有象今天这样广大。我们今天生活的方方面面,都或多或少地受到了这些发明和发现的影响。

  人类从哪里来,人类会到哪里去?这不仅是哲学问题,也是科学家孜孜探索的问题。地球是怎么形成的,太阳系与外星系的关系如何?星系是如何形成、生长和终止的?宇宙存在和运行的物质与能量来自哪里?有外星人吗,他们与地球人一样吗?这些问题不能仅仅停留在思考上,科学探索要靠实验观察。

  几千年前,我们的祖先面对大海,也曾思考过大海里是否有鱼的问题。如果仅仅用水桶从海里取水,水桶里发现鱼的可能性很小,水桶里没有鱼并不能证明大海里没有鱼。我们的祖先发明了渔网,建造船只,形成了发达的渔业。同理,我们站在地球上很难发现有外星人,人类只有走出地球,遨游太空,才有发现外太空存在生命的可能性,才能认识人类的起源。

  哈勃空间望远镜(Hubble Space Telescope, HST)的建造和投入运行,使人类对整个世界的探索,包括对地球、对宇宙、对地球与星系之间的关联,以及对星系的形成、对物质和能量的认识,都产生了巨大的影响。人类认识世界的手段和工具从来没有象今天这样强大。

  自从1609年伽利略发明折射望远镜至今,人类对宇宙的探测就从未停止过。1990年美国“发现者”号航天飞机成功地将哈勃空间望远镜送入设定轨道,标志着人类探知宇宙已从地球转入太空,因此哈勃空间望远镜也被誉为20世纪90年代的四大发明之一,有着划时代的意义。

  实际上哈勃空间望远镜的历史可以追溯至1946年天文学家莱曼·斯必泽(Lyman Spitzer,Jr.)所提出的论文《在地球之外的天文观测优势》。在论文中,莱曼指出在太空中的天文观测有两项优于地面天文台的性能。首先,角分辨率(物体能被清楚分辨的最小分离角度)的极限将只受限于衍射,而不是由造成星光闪烁、动荡不安的大气所造成的视相度。在当时,以地面为基地的望远镜解析力只有0.5-1.0弧秒,相比较之下,只要口径2.5米的望远镜就能达到理论上衍射的极限值0.1弧秒。其次,在太空中的望远镜可以观测被大气层吸收殆尽的红外线和紫外线。鉴于空间望远镜这些得天独厚并不可替代的优势,美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)设立了两个委员会,一个规划空间望远镜的工程,另一个研究空间望远镜任务的科学目标。最后,制成的哈伯望远镜长13.3米,直径4.3米,重11.6吨,拥有2.4米的光学口径,造价近30亿美元。它以2.8万公里的时速沿太空轨道运行,所摄影像清晰度是地面天文望远镜的10倍以上。

  25年来,哈勃空间望远镜在地球轨道上运行了接近13万7千圈,累计54亿公里,执行了120多万次观测任务,观察了超过3万8千个天体,并获得了丰硕的成果。

  黑洞、星系形成与死亡

  在哈勃空间望远镜投入运转之前,天文观测就暗示,至少在某些星系的中央存在超大质量黑洞。遥远宇宙中极为明亮的点状天体(活动星系和类星体),理论模型认为它们的辐射源于其超大质量黑洞吸积周围的物质。通过哈勃空间望远镜的观测,证实了理论模型,把猜想变成了结论。

  根据哈勃空间望远镜的观测,由恒星构成核球的每一个星系,在其中心基本上都有一个超大质量黑洞。这些黑洞的质量巨大,从矮星系中的数万个太阳质量到巨型星系中的数十亿个太阳质量不等。哈勃空间望远镜还对一些类星体的宿主星系进行了直接成像,清晰地证明了驱动它们的引擎就位于这些星系的中心。更重要的是,星系中央核球里恒星间的相对速度(天文学家称之为速度弥散)与该星系中心黑洞的质量之间存在相当紧密的关系,而核球中恒星的速度弥散又取决于核球的质量。

  这一发现对于星系演化具有重要的意义。它表明星系及其中心的黑洞并非是各自独立演化,相反,核球和中央黑洞的质量增长是同步的。由此得出,只要有气体流入星系的中心并且中央黑洞会吸积其中的一些物质,核球就会持续形成新的恒星。一旦来自中央引擎的辐射和超新星爆炸的动能将这些气体吹散,黑洞和核球的生长就会终止。

  通过哈勃空间望远镜对猎户星云的早期观测发现,其中聚集了许多被浓密气体和尘埃盘包裹的年轻恒星。尽管已经从理论上和甚大天线阵的观测中推测出来了这些盘的存在,但是直到哈勃所拍摄的高分辨率照片才第一次直接揭示出了这些盘的结构和物理性质。同时,通过哈勃对γ射线暴余辉的观测,研究人员把这些暴发锁定在了河外星系中的大质量恒星形成区。由此哈勃望远镜也令人信服地证明了这些剧烈的爆发和大质量恒星死亡的直接联系。

  暗物质

  暗物质既不发出也不吸收电磁辐射,天文学家只能通过其引力效应来推断它的存在。在星系的尺度上,恒星和气体云的运动速度过高,单靠可见物质的引力无法束缚住它们。星系团中的星系也是如此,没有暗物质的引力它们就会解体。暗物质约占宇宙物质的85%,为宇宙中可见大尺度结构的形成提供了骨架。星系团周围暗物质的引力会扭曲来自更遥远天体的光线,产生引力透镜效应。

  哈勃空间望远镜通过观测这一效应,制作出了迄今最大的暗物质三维分布图。此外,通过对特定的星系团(例如abell 1689)的研究,哈勃空间望远镜帮助科学家建立了这些天体系统中详细的暗物质分布图。这些分布图有助于限制描述星系团如何生长的理论模型。

  最重要的是:哈勃空间望远镜和钱德拉X射线天文台以及地面望远镜的联合观测显示,在碰撞星系团中暗物质和高温普通气体之前存在明显的分离。哈勃空间望远镜目前已经在子弹星系团(1E 0657-56)、潘多拉星系团(abell 2744)和星系团(MACS J0025.4-1222) 中观测到了这一现象。

  太阳系外行星大气

  自1991年起,地面和开普勒太空望远镜的一系列观测已发现了近2000颗围绕其他恒星的行星。尽管一些天文学家仍在不断寻找新的太阳系外行星,但其他人则已经开始把重心放在了研究已知太阳系外行星的大气成分上。最终,科学家希望能借此探测到这些行星上的生物信号——由植物、光合细菌或其他生物学过程所产生的生命迹象。生物信号包括氧分子、臭氧和叶绿素,以及类似地球上的非平衡态大气状况。

  哈勃空间望远镜以及工作在红外波段的“斯皮策”空间望远镜对凌星行星——其轨道平面侧向位于我们的视线方向上的观测已在一些类木星和类海王星上探测到了几种原子和分子。这些巨型行星的轨道非常靠近其宿主恒星,由此,其大气层会因炙烤而向外膨胀延伸。

  在凌星过程中,行星会从其宿主恒星圆面的前方经过,恒星的一小部分光由此会穿过这颗行星的大气层。分析该恒星的光谱就可以揭示出其大气中的特定成分。通过这一方式,哈勃空间望远镜在太阳系外行星HD209458b的大气中发现了钠。在其他的观测中,则在其大气中探测到了氢、碳、氧和水蒸气。此外,哈勃空间望远镜还在太阳系外行星HD189733b的大气中发现了水蒸气。

  大胖子星系团

  2014年4月,哈勃太空望远镜观测结果显示,“El Gordo”星系团(称为“大胖子”)所容纳的质量可能与3千万亿(3乘以10的15次方)颗太阳相当。这比原先科学家所估计的值大了43%,约为银河系质量的3000倍。“大胖子”星系团距离地球超过70亿光年,因此,天文学家观测到的信号,实际上已经有将近一半的宇宙年龄(约138亿年)。在2012年的报道中,“大胖子”星系团的质量大致相当于2千万亿颗太阳。研究者利用NASA的钱德拉X射线天文台和欧洲南方天文台位于智利的甚大望远镜阵列,对星系团内部的气体温度以及星系的运动进行了研究,估算出了这一数据。

  这些科学难题正因哈勃空间望远镜的存在而逐一被人类所认知。截至2015年4月,直接或间接通过哈勃空间望远镜的成果而发表的科学论文数目达到1万2千多篇,包括几项问鼎诺贝尔奖的成果。

  NASA官方介绍,以目前的状态来看,哈勃空间太空望远镜至少会继续在轨工作至2020年。受地球引力和高层稀薄大气的影响,其运行轨道会逐渐降低,乐观来看,直到2030年哈勃望远镜依然能够维持可工作状态。此外,NASA计划中将于2018年升空的詹姆斯·韦伯望远镜(James Webb space telescope, JWST),相对于哈勃望远镜,韦伯望远镜将能够进一步逼近大爆炸后的年轻宇宙的图景,科学家估计它可以看到距离200亿光年远的原始星系。2019年,哈勃空间望远镜和詹姆斯·韦伯望远镜将同时在轨道运行,帮助人类揭示更多的宇宙秘密。

  (2016-01-04)

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