这10大天文学突破，你知道几个？

这10大天文学突破，你知道几个？  世界科技创新论坛 2019-07-22 18:02:24
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上个世纪的天文学突破比以往更多，而且比之前更加重大。一个有趣的问题是，在本世纪，我们是否也会经历同样数量的突破性发现？天文学会加快还是放慢它向前迈进的脚步？
作者：Zwicky
来源：原理（ID：principia1687）
科学的进步有两种方式：
第一种是知识和数据的日积月累。在天文学领域有很多这样的例子，比如精确地测量恒星的距离、质量、光度、温度和光谱就是一个漫长而艰苦的积累过程。
第二种是”突破“，我们对宇宙的认知在相对较短的时间内发生了戏剧性的变化，这些都是重大的范式转移。例如，在15世纪的时候，我们认为地球便是宇宙的中心。但到了17世纪，太阳成了宇宙的中心（尽管这个想法也没能维持多久）。
在这篇文章中，我们将把关注点放在20世纪天文学上的那些重大突破。当你看完这篇文章后，你很快就会发现上个世纪的天文学突破比以往更多，而且比之前更加重大。一个有趣的问题是，在本世纪，我们是否也会经历同样数量的突破性发现？天文学会加快还是放慢它向前迈进的脚步？
01
银河系是宇宙中唯一的星系吗？至少在100年前，这个答案是肯定的。但到了1923年，哈勃（Edwin Hubble）使用胡克望远镜发现了M31（仙女座星系）中的一颗造父变星，一切都改变了。基于另一名天文学家勒维特（Henrietta Leavitt）的工作，哈勃得出了一个惊人的结论：M31距离我们90万光年，远在银河系之外！自此之后，我们才意识到原来银河系并非独一无二，宇宙中包含了大量的星系，这是天文学突破和范式转移的一个绝妙例子。今天的天文观测告诉我们，宇宙中的星系数量并不是几万、几十亿或几千亿，而是高达两万亿个！从一到万亿，这是多么巨大的变化啊！
02
爱因斯坦曾一度认为，宇宙是静止的。但事实真的如此吗？
1929年，哈勃运用胡克望远镜共测量了46个星系的距离和速度。他将这些数据绘制成图像，结果显示：星系的退行速度与距离成正比，且斜率为500km/s/Mpc（这个值被称为哈勃常数）。换句话说，哈勃发现了宇宙正在膨胀，而且距离地球越远的星系，远离我们的速度也就越快！这是多么惊人的发现啊，而且一个膨胀的宇宙也暗示着在遥远的过去，宇宙有一个开端。
哈勃常数非常重要，它可以被用来计算宇宙的年龄。最初的估计偏离得有些离谱——宇宙的年龄比地球还要小！但随着技术的进步，宇宙学家得到了越来越精确的数值。现在，哈勃常数被确定在70km/s/Mpc左右，宇宙的年龄为138亿年。
到了1998年，天文学家发现宇宙不仅在膨胀，而且是在加速膨胀，导致加速膨胀的幕后推手被称为”暗能量“，但没有人知道暗能量的真面目。
03
上个世纪初，我们对恒星的认识依然是非常匮乏的。当时，天文学家意识到恒星都很老，它们的年龄甚至超过了10亿年，在它们生命周期的大部分时间内都是非常明亮的。但天文学家并不知道，恒星为何能够产生如此巨大的能量。到了1905年，爱因斯坦的狭义相对论和质能等价理论（E = mc²）触发了一场革命。
爱丁顿（Arthur Eddington）爵士是最早认识到恒星是全部由气体组成的人之一，他还意识到，恒星的稳定性是向内的引力与向外的气体和辐射产生的压力相抗衡的结果。爱丁顿据此推导出了恒星的质量-光度关系，这对于理解恒星演化至关重要。
1926年，爱丁顿指出，太阳中心的气体密度是水的密度的100多倍，这个区域的温度超过10⁷开尔文。恒星内部的温度是如此之高，核反应的速率将达到不可忽略的程度。然而，到底是哪种形式的质量被摧毁并转化成能量呢？
在1920年，阿斯顿（Francis Aston）正在使用自己发明的质谱仪测量一些原子和同位素的质量。他发现，四个氢原子比一个氦原子要重。而其他科学家的发现表明氢和氦是组成恒星的主要成分。
将这些因素结合起来解决了恒星的能量生成问题，接下来必须有人确切地证明这个过程是如何进行的。这个人就是贝特（Hans Bethe）。1939年，贝特提出了碳氮氧（CNO）循环，之后他又提出了质子-质子循环。这些过程都极其缓慢，因而恒星会在主序阶段停留漫长的时间，缓慢且温和地将氢转化为氦。在此期间，它们的光度变化非常微弱。
恒星能量来源的机制最终引导天文学家从总体上解决了恒星演化问题，这个过程整整花了35年时间。
04
在恒星能量机制被搞清楚之前，天文学家意识到绝大多数恒星本质上只有两种类型，即所谓的”矮星“和”巨星“。
1911年，赫茨普龙（Ejnar Hertzsprung）绘制了恒星的视星等与光谱类型的关系，这些恒星来自昴星团与毕宿星团等疏散星团。1914年，罗素（ Henry Norris Russell）充分利用最新的视差数据，绘制了恒星的绝对星等与光谱类型的关系。赫茨普龙和罗素绘制的图表如今被称为赫茨普龙-罗素图，简称赫罗图。
赫茨普龙和罗素都发现存在两种主要的恒星类型：一种是更为常见的矮星，这些太阳大小的恒星占据了图表中的“主序带”，被称为主序星，主序星的光度大约与温度的6.7次方成正比；另一种是不那么常见的巨星，它们的绝对星等约为0。
随着时间的推移，更多的恒星类被添加进图表当中。一种是地球大小的黯淡的白矮星，它们的绝对星等在10到14之间，光谱类型大约是B型和A型。另一种是更为罕见的超巨星，它们是质量最大且最明亮的恒星，绝对星等在-5到-8之间。
05
在1900年的时候，人们普遍认为恒星与地球具有相同的组成。从1925年以来，天文学家开始意识到恒星主要由氢和氦组成，这显然是一个重大的范式转移。
佩恩（Cecelia Payne）是这场科学变革的先锋。1925年，在她那篇著名的博士论文《恒星大气》中，佩恩运用了物理学家萨哈（Meghnad Saha）在1920年推导出的方程，将光谱线强度转换为原子数，并最终提出恒星主要由氢和氦这两种元素组成。
这个领域的第二个重大突破是认识到恒星主要有两种组成类型：富金属的第一星族和贫金属的第二星族。这是巴德（Walter Baade）在1943年发现的。
第三个突破是解释恒星为什么具有独特的化学组成，以及这种化学组成如何随时间变化。有两项成果推动了这个突破：第一项成果解释了宇宙大爆炸后氢氦混合物的初始比例为75% : 25%；第二项成果来自于伯比奇夫妇（Margaret Burbidge 和Geoffrey Burbidge）、福勒（William Fowler）和霍伊尔（Fred Hoyle）四人的工作，他们解释了将氢转化为氦的核合成过程，并扩展到了碳、氧、硅、硫、氩、钙直到铁等重元素的生成；随后这四位科学家还证明，超新星爆发时的快中子捕获过程创造了比铁重的元素，从而将恒星的组成进一步扩展到金、铂和铀等元素。
06
宇宙中有什么？太阳、行星、彗星、恒星、银河系……在上个世纪初，我们所知道就只有这些很普通的天体。但有没有可能存在一些更加极端的天体？有的。
当恒星耗尽自身的燃料时，就会出现奇异的天体。低质量的恒星会演化为地球大小的白矮星，白矮星依靠内部的电子简并压与引力相抗衡。1930年，钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）计算出了白矮星的质量不会超过1.4个太阳质量。一旦恒星的质量超过这个值，恒星就会进一步坍缩成为中子星。1933年，巴德和兹威基（Fritz Zwicky）预言许多中子星是超新星爆发的产物。到了1967年，伯奈尔（Jocelyn Bell-Burnell）通过射电望远镜探测到了第一颗脉冲星的信号（脉冲星是快速旋转的中子星）。最后，那些质量超过3个太阳质量的恒星将进一步坍缩形成最极端的天体——黑洞。
还有一种奇异的存在是类星体。1963年，施密特（Maarten Schmidt）探测到了一个强烈的射电源——类星体3C 273，它的红移高达0.158，看起来就像是一个视星等为13的明亮恒星以16.6%的光速远离地球。最后天文学家发现，类星体实际上是星系中央的活动星系核，包含了一个超大质量黑洞，在黑洞的周围是一个吸积盘，并且会释放出相对论性喷流。
除了类星体外，活动星系核包含了大量的子类，包括低电离星系核、塞弗特星系核、耀变体、射电星系等。
07
1964年，彭齐亚斯（Arno Penzias）和威尔逊（Robert Wilson）试图用喇叭型天线找到从通信卫星上反射回的射电波时，他们接收到了无法解释的一些噪音。当他们排除了一切可能性后（包括清理了鸟粪和移走了鸟巢），最终发现这是一些理论学家苦苦寻找的宇宙微波背景（CMB）——这是大爆炸遗留下的热辐射。
1949年，霍伊尔做客BBC的时候提到了”大爆炸“一词，用来描述宇宙有一个开端、且一直在膨胀的想法。当然，霍伊尔本身拥护的是另一个理论——稳恒态理论。稳恒态理论曾是大爆炸理论的竞争理论，但当宇宙微波背景被发现后，它也因此失去了立场。
如今，随着望远镜的不断升级，科学家能够以更高的精确度测量宇宙微波背景，并可以从中计算出宇宙的年龄、组成、膨胀率等信息。
08
宇宙的大部分似乎都是由我们看不见的物质组成的，那些“发光”的可见物质只占总量的5%。早在1937年，兹威基就发现了一个奇怪的现象：他研究了后发星系团后发现，星系团中所包含的物质总质量是可见物质质量总和的400倍。
到了上世纪70年代，鲁宾（Vera Rubin）发现，在距离星系中心越远的地方，星系的旋转速度曲线并不会降低。而此前人们都认为，星系的大部分质量都集中在核心区域，星系中物体的旋转速度应该随着距离的增加而减慢，就像太阳系中那样，边缘物体的旋转速度比中心天体的慢一些。这个矛盾揭示出，星系中存在缺失的质量，这就是包裹着星系并延伸到星系边缘以外的暗物质晕。但直到今天，我们仍然不知道暗物质究竟是什么。
09
100年前，我们只知道一个行星系统——我们居住的太阳系。随着时间推移，一些天文学家认为，某些邻近恒星的轨迹的轻微摇摆暗示着，在它们周围应该也有行星的存在。
但直到20世纪末（更精确的说是9935天以前），天文学家才确认了第一颗太阳系以外的行星。自那之后，科学家通过不同的手段，确认发现了超过3700颗的系外行星。这些系外行星按照6种质量（大小）和3种温度被分类为18个类别。
除了研究这些系外行星的性质之外，科学家希望他们能够在这些不同的世界中找到生命可能存在的蛛丝马迹。
10
我们无法“看到”恒星的内部。我们对太阳光球层的视野可以延伸到大约500公里的深度，但相比于太阳大约70万公里的半径，我们仍然有很长的路要走。因此，恒星内部一直是理论天文物理学家才能涉足的领域。
但过去几十年里出现了两个突破。第一个来自对太阳中微子的探测。1930年，泡利（Wolfgang Pauli ）首次预言了中微子的存在，但等待了25年的时间才被验证。这是因为中微子几乎不与物质作用，因此非常难以探测到。
在太阳和其他恒星内部的一系列核反应将氢转化为氦，同时产生中微子。每秒钟，有数万亿的中微子在穿过我们的身体，但我们却毫无察觉，这是非常令人震惊的事实。戴维斯（Raymond Davis Jr）是第一个敢于尝试证明太阳中微子存在物理学家，他在霍姆斯特克金矿中建造了一个巨大的中微子探测器。在长达30年的时间里，他成功的捕捉到了2000个太阳中微子，并因此证明了太阳的能量来源于聚变。
第二个突破来自于日震学，这是一门利用太阳表面声波和声震荡来研究太阳内部的物质特性和运动特征的学科，类似于从地球内部地震波的传播行为来推测地球内部结构。
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我们会发现，这些重大突破通常可被分为两个类别：一种是完全意想不到的发现，另一种是解决了长期以来的困惑。我们完全有理由相信，未来我们将不断迎来更多重大的突破，因为有那么多的问题等待着被揭开。我们也相信，那些隐藏在宇宙中的惊人秘密，正等待着被发现。

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