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Space Exploration - - Contents - 文/ 飞狮

如何让火箭“站稳脚跟”

自 1990年哈勃空间望远镜进入太空,至今已经28年了,让我们看看它都取得了哪些惊人的成果。

1.宇宙在加速远离我们

我们的宇宙在膨胀。大约在一个世纪以前,埃德温·哈勃测量到了我们宇宙的膨胀速率,这个值我们称为哈勃常数。但是在哈勃望远镜发射升空之前,哈勃常数的测量结果十分不精确,我们由此算出的宇宙年龄只能限定在100 亿到 200亿的范围内。而现在天文学家用哈勃望远镜的数据算出的哈勃系数,可以把宇宙年龄限定在138 亿年左右,可以说精确度提升了不少。

然而除此之外,令天文学家感到吃惊的是,从哈勃望远镜的观测结果中发现,宇宙不仅仅是在膨胀,而且是在加速膨胀——这个发现获得了2011 年的诺贝尔物理学奖。

2.记录星系的成长历程

就像我们用相簿记录孩子的成长历程一样,天文学家用“哈勃”给不同宇宙学时间上的星系进行“拍照”,记录下了宇宙中星系的成长历程。

我们怎么知道宇宙过去的样子呢?这主要得益于一条简单的数学关系:“哈勃”向深空中看得越深,在时间上就越久远。距离越远(也就是时间上越早)的星系越小,且越不规则;反之,则巨型、规则的漩涡星系和椭圆星系就越多。这表明,星系之间随着时间的推移在不断地融合,渐渐地变成了我们现在所看到的巨大星系。

3.看到太阳系外的世界

哈勃望远镜是第一个在光学上观测到系外行星的。这颗行星在25 光年外,绕着北落师门旋转,离北落师门的距离大概是土星到太阳距离的十倍。

此外,天文学家用哈勃望远镜的观测数据能测出系外行星的大气成分。观测发现,尽管大多数系外行星对生命来说都过于炎热而无法生存,但是在一些行星上存在构成生命的基本成分。

4.“照亮”暗物质

通过哈勃望远镜锐利的视场,天文学家通过引力透镜现象及逆向工程,绘制出了空间中暗物质的分布情况。结果发现,宇宙中暗物质大约是普通物质的五倍,且以网状结构分布;而大质量的可见结构(像星系群、星系团等)往往都分布在这些网状结构交叉的地方。 【名词解释】暗物质:暗物质是一种不可见的物质形式(简单的理解就 是不发光),它构成了宇宙物质的大部分质量。

5.巨型黑洞无处不在

哈勃望远镜发现,几乎每一个星系的中心都存在一个巨大的黑洞,这些黑洞有百万个到十亿个恒星质量那么大。此外还发现这些黑洞的尺寸和其宿主星系的质量相关。哈勃星系普查表明,黑洞的质量取决于其宿主星系星系核中恒星的质量:星系越大,黑洞也越大。

这种关系说明黑洞是伴随着星系一块儿成长的,而且黑洞会吞并星系的一部分质量。

6.研究地外行星和它们的卫星

哈勃望远镜见证了太阳系内的小天体对木星的影响。它于1994 年观测到休梅克-列维9号彗星的21个碎片依次撞入木星——这是天文学家第一次看到这样的事件——每一次撞击都在木星的表面留下一个乌黑的“伤疤”。此外,天文学家们还用哈勃望远镜定期地测量木星表面著名的“大红斑”的尺寸,以调查它为什么会渐渐地消失。

“哈勃”在木卫三(太阳系内最大的卫星)地下发现了一个巨大的盐水海,据估计其含水量比地球表面全部的水还要多。此外“哈勃”还观测到木卫二表面大气的变动,天文学家认为这可能是由地下海水喷发而造成的。寻找液态水,在寻找地外生命的研究中至关重要。

7.柯伊伯带的大发现

在对太阳系边缘的矮行星——冥王星的探测中,“哈勃”在这个冰冷的世界中发现了四颗卫星,分别是水神星(Nix),九头蛇星(Hydra),冥卫四(Kerberos),冥卫五(styx)。

2015 年 7月美国宇航局的新视野号探测器拍摄了一张冥王星的精彩照片。在科学家为“新视野号”安排行程的过程中,哈勃望远镜起了重要的作用,它从上世纪90年代到 2010 年这些年对太阳系边缘的探测,为“新视野号”绘制了旅行的地图。

此外哈勃望远镜还在鸟神星附近发现了一个直径为 161 千米左右的卫星。

8.跟进小行星带的演化

在火星和木星之间存在着一条布满碎石和小行星的带,小行星们经常会在这发生碰撞。在一个有着灰尘拖尾的点状物体附近,哈勃望远镜观测到了一个奇怪的X形的结构。这种结构被认为可能是两个小天体发生对撞产生的,其相对速度约为子弹的五倍。天文学家一直都认为小行星带会在小行星之间的碰撞后慢慢变得更加零碎,但这次则是首次通过观测证实该猜想。

另外,哈勃望远镜还观测到一个拥有六个“彗星尾巴”的小行星。计算机模拟表明,这些尾巴可能是由一系列尘埃喷射事件产生的。

9.见证恒星诞生

哈勃望远镜的红外探测器能够穿透厚重的尘埃云,而在这些尘埃云中,有成千上万的恒星在燃烧着它们的生命。哈勃望远镜对这些星云的观测表明,在这些恒星诞生的地方,往往伴随着剧烈的“阵痛”——新星产生出强烈的紫外辐射以及激震前沿,这些辐射会清除掉周围的尘埃云。

此外,哈勃望远镜也以前所未有的精度捕捉到来自新星的发光气体发出的高能喷流。这些喷流是气体旋转流进新形成恒星过程中,被磁场引导,以超音速从恒星两极喷射而出的副产品。

10.记录恒星的死亡之路

哈勃望远镜详细记录了类似太阳的恒星是如何一步步走向死亡的。哈勃望远镜的观测发现,它们有各种各样复杂的形状,有些像风车,有的像蝴蝶,有的像沙漏。这些图片告诉我们,其实恒星在坍缩形成白矮星之前,它抛射其 外部气体层的动力学是非常复杂的,而不像我们以前假设的那样是球对称的。

11.探测“光学回声”

哈勃望远镜捕捉到麒麟座V838 爆发后形成的光反射序列图像。2002年1月,这颗红巨星爆发出一个无法解释的闪光,然后留下一片看起来像“扩张的泡沫”一般的遗迹。实际上,这泡沫似的遗迹只是闪光将本来已经存在的尘埃云照亮了而已。由于光只能以有限的速度——光速传播,所以闪光花了几年才到达更远的尘埃云,然后照亮它们。这种现象称为“光学回声”,就像声波在遇到峡谷或墙壁时的反射一样。

12.寻找行星形成区

天文学家用哈勃望远镜证实了行星形成于环绕恒星的尘埃盘。哈勃望远镜在猎户座星云中首次发现一个绕着大约 200颗恒星运转的原行星盘。随后通过对附近恒星的巡天观测,哈勃对尘埃盘完成了最大、最精细的光学图像勘测。

13.观测星系细节和星系融合

当埃德温·哈勃发现银河系不是宇宙的全部,在其之外还有大量的星系时,他给这些星系做了一个基本的分类:漩涡星系、椭圆星系和不规则星系。现在这个以他名字命名的望远镜则揭示了这些星系前所未有的细节。

此外,随着哈勃望远镜观测的距离越远,它看到的景象也就越奇异怪诞,这是因为越往深处看宇宙越年轻,此时宇宙尺寸还很小,星系也很年轻,它们之间也更容易相互吸引而碰撞、融合。★

▲ 船底座星云,被称为“神秘山”。冷的氢气以及尘埃向上延伸。在顶部,是一个三光年高的柱子,这个柱子逐渐被附近恒星的亮光和恒星风吹散;同时它还受着内部刚形成的原初恒星摧残,一个喷流向左右两个方向喷射而出

▲ 根据哈勃的光谱图合成的图像。研究人员发现许多星系中心都存在一个巨型黑洞。NGC3379和 NGC3377 分别包含着一个 5000 万个太阳质量和1 亿个太阳质量的黑洞;NGC4486B在其核心包含两个黑洞

▲哈勃观测到大量各种各样复杂的行星状星云

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