八大天文之謎

■任秋凌

八大天文之謎

■任秋凌

近日，美國《科學》雜志評選出八大天文之謎，其中包括暗物質和暗能量是什么、恒星如何發生爆炸以及宇宙射線來自何處。《科學》雜志的羅伯特·庫恩茨表示：“真正的謎必須擁有持久力，絕非一些可能在不久的將來揭開的疑問。本次評出的八個謎，部分可能在將來的某一天通過天文觀測揭開，其他一些謎團可能永遠是一個謎。”

1.暗能量是什么？

哈勃超深場，共有近10 000個星系。這幅照片中涵蓋的星系年齡、體積、形狀和顏色各異,其中最小最紅的星系大約有100個，可能是距地球最遙遠的星系，它們形成時宇宙只有8億歲

20世紀20年代，天文學家愛德文·哈勃發現宇宙并非靜止不動，而是不斷膨脹的。1998年，哈勃太空望遠鏡對遙遠超新星進行研究，發現宇宙在很久以前的膨脹速度低于現在。這一具有突破性的發現讓科學家陷入困惑之中，他們長久以來一直認為物質的引力逐漸減緩宇宙的膨脹速度，甚至能夠導致宇宙收縮。對宇宙加速膨脹進行解釋促使科學家提出暗能量理論，正是這種能量導致宇宙加速膨脹。

科學家認為暗能量在宇宙中的比重達到近73%，并且難以捉摸，科學家一直未能直接觀測到它的存在。科學作家阿德里安·喬表示：“暗能量可能永遠不會暴露其本來面目。不過，科學家仍比較樂觀，認為通過研究能夠揭示暗能量的起源。”

2.暗物質是什么？

20世紀六七十年代，天文學家假設宇宙的質量可能超過可觀測的質量。華盛頓卡內基研究所的天文學家沃拉·魯賓對星系內不同位置的恒星速度進行了研究，發現處于星系中央的恒星速度幾乎與外側恒星的速度沒有任何差異。這一發現似乎有悖于基本的牛頓物理學定律。按照牛頓的物理學家定律，星系外側的恒星速度應該更慢。

天文學家用一種看不見的質量解釋這一現象，也就是暗物質。雖然看不到，暗物質也擁有質量，研究人員根據其對正常物質產生的引力推斷暗物質的存在。據信，暗物質在宇宙中的比重為23%左右，只有4%的宇宙區域由正常物質構成，包括恒星、行星和人類在內。

星系團Abell 1689利用引力透鏡效應彎曲光線。對這個星系團進行的一項新研究揭示了暗物質如何影響宇宙的秘密

阿德里安表示：“科學家仍不知道暗物質是什么。幾年內，物理學家有可能探測到暗物質粒子。”不過，即使有望在不久后發現暗物質粒子，天文學家也無法在短期內確定這種神秘物質的特性。

3.消失的重子哪去了？

自然色星系照片，由美國航空航天局的哈勃太空望遠鏡拍攝

暗能量和暗物質構成了大約95%的宇宙，正常物質僅構成余下的5%。然而在正常物質中，也有超過一半消失蹤影，它們的去處成為不解之謎。所謂的重子物質構成了質子和電子等粒子，這兩種粒子在宇宙可見物質中占相當大比重。《科學》雜志特約撰稿人尤希吉特·巴塔查爾吉表示：“在對從早期宇宙到現在的重子數量進行計算時，天文學家發現重子數量神秘減少，好像重子在宇宙演變史上穩定消失一般。”

據天體物理學家推測，消失的重子物質可能存在于星系之間，被稱為“溫熱星系際介質”。尋找消失的重子仍舊是天文學家首先要揭開的謎團之一，因為對它們進行觀測有助于科學家了解宇宙和星系的結構如何隨時間推移發生變化。

4.恒星如何發生爆炸？

這幅藝術概念圖展示了所謂的“玉夫星座墻”。這是一個最強有力的證據，證明附近宇宙內消失的物質存在于一個巨大的炙熱彌漫氣體網內

當大質量恒星耗盡燃料并走向死亡時便會發生大爆炸，也就是形成超新星。超新星爆炸的亮度可在短時間內超過整個星系。科學家對超新星進行了多年研究并用電腦模型模擬，然而這種爆炸如何發生仍困擾著天文學家。巴塔查爾吉表示：“最近幾年在超級計算機領域取得的進步允許天文學家對恒星的內部狀況進行模擬，以便進一步了解恒星爆炸的機制。不過，很多細節仍是一個未知數，例如爆炸如何發生，又與哪些內部因素有關。”

5.宇宙射線來自何處？

左側圖像展示了激光產生的沖擊波，顏色更明亮的區域密度或者溫度更大；右側圖像展現了星系形成前期出現的沖擊波

宇宙射線的來源一直困擾著天文學家，他們用了一個世紀時間研究這些高能粒子的來源。宇宙射線是帶電亞原子粒子，主要包括質子、電子以及基本元素的帶電核。在從銀河系其他地區進入太陽系后，宇宙射線的移動路線會因太陽和地球磁場的影響發生彎曲。

不過，這些奇異粒子的來源仍舊是一個不解之謎。《科學》雜志的丹尼爾·克萊里表示：“在對宇宙射線進行了長達一個世紀的研究之后，來自宇宙的絕大多數能量仍非常神秘莫測，科學家仍需進行多年的研究，才有可能揭開它們的神秘面紗。”

6.宇宙如何再離子化？

大爆炸理論是被普遍接受的宇宙起源和演化理論。根據這一理論，宇宙誕生于大約137億年前，最初是一個溫度和密度極高的點。130億年前的早期宇宙階段被稱為“再離子化時代”，在這一時期，早期宇宙的氫氣霧被清空，第一次對紫外線呈透明狀態。科學作家埃德溫·卡特里德奇表示：“在大爆炸后大約40萬年，質子和電子平靜下來，相互吸引，最后進入中性氫原子。突然間，此前散射電子的質子在宇宙中自由穿行。”

幾億年后，電子被原子剝離。卡特里德奇說：“宇宙的膨脹讓質子和電子處于分散狀態，新的能量源讓它們再次結合在一起。‘粒子湯’同樣被沖淡，絕大多數質子能夠在不受到阻礙的情況下移動。因此，宇宙內的絕大多數物質變成可以傳輸光線的離子化等離子體，一直存在至今。”

7.日冕為何擁有驚人溫度？

太陽的超熱外層大氣層被稱為日冕，溫度在50萬℃～600萬℃之間。克爾表示：“研究太陽的物理學家一直無法理解太陽如何為日冕補充熱量。在發生日全食時，黑暗的太陽外圍是銀白色的光芒，像帽子一樣扣在太陽上，這個帽子就是日冕。”

天文學家認為，日冕的熱量與可見日表下方的能量有關，能量在太陽磁場內處理。不過，加熱日冕的詳細機制仍舊是一個未知數。克爾說：“對于磁場如何輸送能量，科學家正在進行激烈討論，能量在抵達日冕后如何積聚更是一個更讓人感到困惑的謎團。”

8.太陽系為何如此怪異？

藝術概念圖，展示了大爆炸后不到10億年出現的星系，當時的宇宙仍部分充滿氫氣霧，吸收紫外線

我們所在的太陽系擁有一系列特征：處在最內側的四顆行星均擁有多巖外殼和金屬核心，外側的四顆行星卻彼此相差甚多，每一顆都擁有獨有的特征。科學家一直對行星形成過程進行研究，希望了解太陽系如何形成。

科學家認為，搜尋系外行星并對其進行研究能夠幫助他們揭開太陽系形成之謎。《科學》雜志特約撰稿人理查德·克爾指出：“對環繞其他恒星的行星進行觀測能夠給我們帶來幫助。隨著發現的系外行星數量越來越多并對其進行研究，科學家能夠進一步了解行星的多樣性。”