2010年十大天體物理學(xué)發(fā)現(xiàn)

孝文晨風(fēng)

美國(guó)國(guó)家地理網(wǎng)站評(píng)選出2010年度十大天體物理學(xué)發(fā)現(xiàn)，宇宙外潛伏未知“結(jié)構(gòu)”新證據(jù)、銀河系中心發(fā)現(xiàn)神秘氣泡狀結(jié)構(gòu)以及“大爆炸”造出“液態(tài)”宇宙等重大發(fā)現(xiàn)榜上有名。

1.每個(gè)黑洞內(nèi)都含有一個(gè)宇宙

天文學(xué)家在2010年4月宣布，我們的宇宙就像是俄羅斯套娃的一部分，可能棲身于一個(gè)黑洞內(nèi)，而這個(gè)黑洞本身又是一個(gè)更大宇宙的一部分。反過(guò)來(lái)，迄今在宇宙中發(fā)現(xiàn)的所有黑洞可能都是通向其他世界的通道。

美國(guó)印第安納大學(xué)的物理學(xué)家尼克丹姆·鮑勃拉姆斯基（Nikodem Poplawski）近日提出了一個(gè)有關(guān)落入黑洞的物質(zhì)所作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的嶄新數(shù)學(xué)模型。根據(jù)他的方程，黑洞可能是不同宇宙間的時(shí)空通道，或者說(shuō)，一種蟲洞。被黑洞吞噬的物質(zhì)并未如之前理論預(yù)言的那樣塌縮成一個(gè)奇點(diǎn)，而是從黑洞的另一端以“白洞”的形式噴發(fā)出來(lái)。

根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，當(dāng)一個(gè)區(qū)域的物質(zhì)密度達(dá)到極大時(shí)會(huì)產(chǎn)生奇點(diǎn)，通常這一現(xiàn)象會(huì)出現(xiàn)在黑洞的中心。這種奇點(diǎn)密度無(wú)限大，溫度無(wú)限高，因而顯得怪異。而如果鮑勃拉姆斯基的理論正確，那么這種奇異的現(xiàn)象或許根本就不存在。

2.時(shí)間將在50億年后停止

物理學(xué)家在2010年10月表示，永久膨脹理論稱我們的宇宙只是眾多宇宙中的一個(gè)，該理論還預(yù)測(cè)時(shí)間將在50億年后停止。

一般認(rèn)為，我們生活的宇宙已經(jīng)存在了超過(guò)140億年，并且將繼續(xù)存在數(shù)十億年。但根據(jù)一份最新發(fā)表的論文，時(shí)間本身可能將于50億年后終止。巧合的是，這一時(shí)間恰逢太陽(yáng)耗盡燃料熄滅的那一刻。

這一研究依據(jù)的是一種“永恒膨脹”的理論。該理論認(rèn)為我們生活的宇宙其實(shí)是一系列宇宙中的一個(gè)。這一巨大的結(jié)構(gòu)是由無(wú)窮多個(gè)宇宙組成的，其中每一個(gè)宇宙都可以產(chǎn)生無(wú)窮多個(gè)“子宇宙”。

這一理論的主要問(wèn)題在于：在多重宇宙理論框架下，任何發(fā)生的事件都將發(fā)生無(wú)窮多次。這樣就會(huì)使概率論的計(jì)算——如估算地球大小行星普遍存在的可能性，變得幾乎不可能。

3.宇宙外潛伏未知“結(jié)構(gòu)”新證據(jù)

據(jù)科學(xué)家2010年3月公布的一項(xiàng)研究結(jié)果，“暗流”并非偶然，這強(qiáng)化了宇宙外潛伏著前所未知、前所未見“結(jié)構(gòu)”的例證。

2008年，科學(xué)家報(bào)告發(fā)現(xiàn)大量星系群正沿相同方向以360萬(wàn)公里的時(shí)速運(yùn)行。這一詭異的現(xiàn)象無(wú)法以現(xiàn)有的宇宙質(zhì)量分布模型解釋。于是科研人員被迫作出了一個(gè)引起爭(zhēng)議的猜測(cè)：這些星系群是受到了來(lái)自我們已知宇宙范圍之外的引力作用。

而這一小組此次的發(fā)現(xiàn)證實(shí)這種宇宙“暗流”的延伸范圍甚至超越了之前的想象，距離地球至少25億光年。這項(xiàng)研究支持這樣一個(gè)假設(shè)，即存在來(lái)自宇宙之外的引力，從而支持多重宇宙理論。

4.愛(ài)因斯坦“重力論”適用于宇宙層面

據(jù)科學(xué)家2010年3月公布的一項(xiàng)研究結(jié)果，愛(ài)因斯坦近一百年前提出的重力論不僅適用于對(duì)太陽(yáng)周圍行星運(yùn)動(dòng)的解釋，同樣適用于解釋星系間的相互運(yùn)動(dòng)。

一項(xiàng)新的研究顯示，神秘的暗物質(zhì)和更加撲朔迷離的暗能量，并非物理學(xué)家們的妄想癥產(chǎn)物。數(shù)百年來(lái)，牛頓的萬(wàn)有引力理論能很好地解釋地球上的各種重力現(xiàn)象，但當(dāng)將其運(yùn)用到天體運(yùn)行研究時(shí)，科學(xué)家們注意到了其中不一致的地方。

1916年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了廣義相對(duì)論。他指出引力的本質(zhì)是物質(zhì)的存在造成了時(shí)空的扭曲。這一理論很快被應(yīng)用于天文學(xué)，并成功解決了一些神秘的問(wèn)題，如水星軌道的輕微偏差。

當(dāng)將愛(ài)因斯坦的相對(duì)論應(yīng)用于遙遠(yuǎn)的星系，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)它們的引力作用要大于它們本身的質(zhì)量，由此科學(xué)家們推測(cè)有一種探測(cè)不到的神秘“暗物質(zhì)”存在。但時(shí)至今日，在星系研究層面對(duì)廣義相對(duì)論的驗(yàn)證一直沒(méi)有進(jìn)行。

在這項(xiàng)新的研究中，來(lái)自普林斯頓大學(xué)的天體物理學(xué)家們分析了超過(guò)70000個(gè)明亮的橢圓星系的分布和運(yùn)動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)它們精確地遵循廣義相對(duì)論。

5.“大爆炸”造出“液態(tài)”宇宙

根據(jù)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目科學(xué)家在2010年12月公布的最新數(shù)據(jù)，在大爆炸發(fā)生后瞬間，宇宙就像非常稠密、超熱液體一樣活動(dòng)。

最近，科學(xué)家們利用位于瑞士日內(nèi)瓦附近的大型強(qiáng)子對(duì)撞擊成功重現(xiàn)了大爆炸發(fā)生后瞬間的情形。實(shí)驗(yàn)人員將兩束鉛離子以接近光速的速度相撞。相撞產(chǎn)生了一種名為“夸克-膠子等離子體”的原始態(tài)物質(zhì)?？茖W(xué)家們認(rèn)為這種物質(zhì)態(tài)僅僅短暫存在于早期宇宙。

顧名思義，這種“原始湯”由亞原子粒子夸克和膠子組成?？淇耸菐д姾傻馁|(zhì)子和電荷中性的中子的主要組成成分。這兩種粒子共同組成了原子核。而膠子則使用“強(qiáng)作用力”將夸克“膠合”在一起。

常規(guī)情形下，這兩種亞原子粒子緊密結(jié)合。但是先前的實(shí)驗(yàn)證明，在極端高溫下，強(qiáng)作用力會(huì)變?nèi)?，因此這兩種粒子可能會(huì)分開。人們從而認(rèn)為，在宇宙早期的超高溫度環(huán)境下，夸克和膠子應(yīng)當(dāng)相互遠(yuǎn)離，因此其性質(zhì)應(yīng)當(dāng)很像氣體。但是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的實(shí)驗(yàn)否定了這一觀點(diǎn)：撞擊產(chǎn)生了大約10萬(wàn)億攝氏度的極端高溫。雖然只持續(xù)了一瞬間，但是足以滿足科研人員的需求。他們發(fā)現(xiàn)在這一極端高溫下，強(qiáng)作用力比想象中的要強(qiáng)?？淇撕湍z子間的作用力仍較為顯著，因此可以說(shuō)早期宇宙性質(zhì)更類似“液體”而非氣體。

6.新物質(zhì)或可解釋宇宙存在

大約在137億年前，大爆炸產(chǎn)生了大量物質(zhì)，這些物質(zhì)最終形成生命、宇宙及萬(wàn)物?？茖W(xué)家在2010年8月表示，他們發(fā)現(xiàn)了一種新的物質(zhì)，或能幫助他們揭開宇宙存在之謎。

這一新材料的設(shè)計(jì)初衷旨在用于探測(cè)電子的一種新“屬性”。電子存在于原子之中，圍繞原子核運(yùn)行。科研人員表示，如果這一“未知屬性”被證實(shí)，那么將有望幫助科學(xué)家們解答物質(zhì)和反物質(zhì)“不對(duì)稱”的謎題。

現(xiàn)有理論認(rèn)為，宇宙大爆炸將產(chǎn)生同樣數(shù)量的物質(zhì)和反物質(zhì)，也就是說(shuō)任何事物都是“對(duì)稱”的。物質(zhì)和反物質(zhì)擁有相反的電性和磁場(chǎng)特性。當(dāng)兩者相遇便會(huì)發(fā)生“湮滅”，僅剩下“純粹”的能量。

假如果真如此，那么宇宙中就不應(yīng)該存在任何物質(zhì)。但是物質(zhì)的存在，甚至我們本身的存在就說(shuō)明正常物質(zhì)的行為必定和反物質(zhì)有些許不同，而并非完全“對(duì)稱”。

此次的新理論預(yù)言電子存在一種名為 “電偶極矩”（electric dipole moment）的屬性，這類似于一塊側(cè)鐵存在南北極一樣。電子表現(xiàn)出負(fù)電性，說(shuō)明其電荷的分布不均。偶極矩就是電荷量和正負(fù)電荷中心之間的距離的乘積，在這一特定條件下可視為負(fù)電荷的空間分布不對(duì)稱。這種不對(duì)稱將打破物質(zhì)和反物質(zhì)之間的對(duì)稱性，這種不對(duì)稱使得物質(zhì)和反物質(zhì)粒子同時(shí)開始衰變，但是速率不同，從而允許物質(zhì)的存在。

為了尋找電子的“電偶極矩”，科學(xué)家們制成了一種名為“銪鈦酸鋇”（europium barium titanate）的新型陶瓷材料。這種材料具備獨(dú)特的磁場(chǎng)和電場(chǎng)性質(zhì)，從而幫助科研人員探究這一難題。

7.宇宙弦引發(fā)伽馬射線爆發(fā)

科學(xué)家在2010年8月公布的一項(xiàng)研究中宣稱，遙遠(yuǎn)宇宙中稍縱即逝但強(qiáng)度很大的“火球”可能是由看不見的宇宙弦——時(shí)空中的超密度瑕疵——拉拽產(chǎn)生的。

伽馬射線是最高能形式的光線。伽馬射線暴則是宇宙中最明亮的事件之一。它大約每天在宇宙的某處發(fā)生一次。即便距離極其遙遠(yuǎn)——有些遠(yuǎn)達(dá)130億光年，但仍然能被地球附近的觀測(cè)設(shè)備探測(cè)到。

伽馬射線暴持續(xù)可見的時(shí)間從數(shù)秒到數(shù)分鐘不等。科學(xué)家們認(rèn)為這些長(zhǎng)時(shí)間的射線暴是由大質(zhì)量恒星核的塌縮并爆發(fā)造成的。但另外一些伽馬射線暴則持續(xù)很短時(shí)間，遠(yuǎn)短于一秒，科學(xué)家對(duì)此的成因不了解。

但在2008年和2009年間，美國(guó)宇航局的“雨燕”（Swift）伽馬射線衛(wèi)星探測(cè)到兩次持續(xù)很短的伽馬射線暴，但引人注意的是其能量相當(dāng)高，遠(yuǎn)高于同類。香港大學(xué)鄭廣生教授等人的研究認(rèn)為這很可能是由超導(dǎo)電性的宇宙弦震動(dòng)造成的。

8.銀河系中心發(fā)現(xiàn)神秘氣泡狀結(jié)構(gòu)

天文學(xué)家在2010年11月表示，兩個(gè)前所未見的釋放伽馬射線的大氣泡狀結(jié)構(gòu)正在銀河系中心不斷膨脹。

這是兩個(gè)之前不為人所知的巨大結(jié)構(gòu)，由美國(guó)宇航局費(fèi)米伽馬射線探測(cè)器發(fā)現(xiàn)。這兩個(gè)氣泡結(jié)構(gòu)沿銀河系平面上下方向延伸超過(guò)25000光年。

普林斯頓大學(xué)物理學(xué)家大衛(wèi)·斯伯格（David Spergel）在一場(chǎng)新聞發(fā)布會(huì)上說(shuō)：“我們”一直認(rèn)為自己對(duì)銀河系已經(jīng)非常了解，但是很顯然這一發(fā)現(xiàn)說(shuō)明在銀河系的中心存在一種巨大的高能事件。

伽馬射線是具有最高能級(jí)的光線形式。在宇宙中它們通常源自高能事件或天體，如超新星爆發(fā)、黑洞或中子星。目前科學(xué)家們對(duì)于這一巨大的泡狀結(jié)構(gòu)成因和能量來(lái)源尚不了解。

9.愛(ài)因斯坦相對(duì)論影響地球生物衰老速度

根據(jù)科學(xué)家在2010年9月公布的一項(xiàng)研究，我們站在樓梯上時(shí)的年衰老速度，要比站在平地上稍快一些。愛(ài)因斯坦相對(duì)論的玄妙之處就是其對(duì)時(shí)間的作用，而最新發(fā)現(xiàn)與這種作用聯(lián)系起來(lái)，首次向世人展示了相對(duì)論如何影響現(xiàn)實(shí)世界的距離和時(shí)間構(gòu)架。

根據(jù)愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，時(shí)間并非均勻流逝，而是會(huì)由于加速度的存在而變化。由于這一機(jī)制的作用，對(duì)于同一觀測(cè)者而言，一臺(tái)高速運(yùn)動(dòng)中的鐘要比一臺(tái)靜止?fàn)顟B(tài)下的鐘走得慢。這一原理是著名的“雙生子佯謬”的基礎(chǔ)。這一佯謬的內(nèi)容是：如果一對(duì)雙胞胎中的一個(gè)被送入高速飛行的飛船內(nèi)，當(dāng)然返回地面時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)自己的兄弟比自己老了許多。

廣義相對(duì)論同時(shí)也指出：重力加速度也會(huì)輕微地減慢時(shí)間。這就意味著：如果你所在的地方重力更大（更接近地心），你所經(jīng)歷的時(shí)間更慢，你的衰老速度變慢了。

10.巴克球之謎揭開

天文學(xué)家在2010年7月宣布，他們?cè)谝活w死亡恒星的殘骸中發(fā)現(xiàn)了巴克球（Buckyball），這是科學(xué)家首次在太空中發(fā)現(xiàn)這種神秘物質(zhì)。巴克球是由60個(gè)碳原子組成的一種天然分子，形成穩(wěn)定、空心的球體。

盡管巴克球的直徑還不到一米的數(shù)十億分之一，但這仍然是迄今在太空發(fā)現(xiàn)的最大分子。巴克球是富勒烯的一種，最早在1970年，人們首次預(yù)言它的存在。1985年，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中模擬富碳的老年恒星環(huán)境時(shí)首次意外證實(shí)它的存在。這一球體分子之所以被稱為“巴克球”是為了紀(jì)念建筑師巴克明斯特·富勒（Buckminster Fuller），他設(shè)計(jì)的測(cè)地線拱頂和這個(gè)分子的樣子看上去很像。發(fā)現(xiàn)巴克球的化學(xué)家還因此獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

之后，人們?cè)陔E星、地球巖石，以及蠟燭煤灰中都檢測(cè)出了巴克球。而納米技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)使得科學(xué)家有能力將這些巴克球制成高強(qiáng)度的碳納米管材料，用以制造自行車架以及網(wǎng)球球拍?，F(xiàn)在它又開始應(yīng)用于超導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域。

但多年來(lái)天文學(xué)家在宇宙空間尋找巴克球的努力一直沒(méi)有結(jié)果。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的第一作者，加拿大西安大略大學(xué)的簡(jiǎn)·卡米 （Jan Cami）說(shuō)：“我們堅(jiān)信巴克球存在于宇宙之中，因?yàn)樗俏覀冊(cè)诘厍蛏习l(fā)現(xiàn)的最穩(wěn)定物質(zhì)之一。但直到現(xiàn)在我們才第一次真正找到它?！?/p>