八大天文學(xué)之謎

楊孝文

第28屆國際天文學(xué)聯(lián)合會大會于8月下旬在北京舉行，這是中國首次舉辦這一被稱為天文學(xué)界“奧林匹克”的大會。幾千名天文學(xué)家將交流最新研究成果、前沿?zé)狳c(diǎn)與發(fā)展趨勢。下面這些天文謎題無疑將是熱點(diǎn)中的熱點(diǎn)，它們中的一些可能在將來的某一天會被揭開，另一些則可能永遠(yuǎn)是一個謎。

1．暗能量是什么？

20世紀(jì)20年代，天文學(xué)家愛德文?哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙并非靜止不動，而是在不斷膨脹。1998年，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡對遙遠(yuǎn)的超新星進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)宇宙在很久以前的膨脹速度低于現(xiàn)在。科學(xué)家長久以來一直認(rèn)為，物質(zhì)的引力會逐漸減緩宇宙的膨脹速度，甚至能夠?qū)е掠钪媸湛s。為了解釋宇宙加速膨脹，科學(xué)家提出了暗能量理論，認(rèn)為正是這種能量導(dǎo)致宇宙加速膨脹?？茖W(xué)家推測，暗能量在宇宙中的比重達(dá)到近73%。對星系團(tuán)Abell 1689進(jìn)行的一項新研究有可能揭示暗能量如何影響宇宙的秘密。

2．暗物質(zhì)是什么？

20世紀(jì)六七十年代，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，處于星系中央的恒星速度幾乎與外側(cè)的恒星沒有任何差異。這一發(fā)現(xiàn)似乎有悖于基本的物理學(xué)定律。天文學(xué)家用暗物質(zhì)來解釋這一現(xiàn)象。雖然看不到，但暗物質(zhì)也擁有質(zhì)量，研究人員根據(jù)其對正常物質(zhì)產(chǎn)生的引力影響推斷暗物質(zhì)的存在。據(jù)信，暗物質(zhì)在宇宙中的比重在23%左右，只有4%的宇宙區(qū)域由正常物質(zhì)構(gòu)成，包括恒星、行星等。圖為利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡所繪制的暗物質(zhì)3D圖。

3．消失的重子哪去了？

暗能量和暗物質(zhì)構(gòu)成了近96%的宇宙，正常物質(zhì)構(gòu)成余下的部分。正常物質(zhì)中，有超過一半消失蹤影，去處成為不解之謎。所謂的重子物質(zhì)構(gòu)成了質(zhì)子和電子等粒子，這兩種粒子在宇宙可見物質(zhì)中占相當(dāng)大比重。在對從早期宇宙到現(xiàn)在的重子數(shù)量進(jìn)行計算時，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)重子數(shù)量神秘地減少了。據(jù)天體物理學(xué)家推測，消失的重子物質(zhì)可能存在于星系之間，被稱為“溫?zé)嵝窍惦H介質(zhì)”（WHIM）。尋找消失的重子仍舊是天文學(xué)家首先要揭開的謎團(tuán)之一，因為對它們進(jìn)行觀測有助于科學(xué)家了解宇宙和星系的結(jié)構(gòu)如何隨時間推移而變化。

4．恒星如何發(fā)生爆炸？

當(dāng)大質(zhì)量恒星耗盡燃料并走向死亡時，便會發(fā)生大爆炸，形成超新星。超新星爆炸的亮度可在短時間內(nèi)超過整個星系。最近幾年在超級計算機(jī)領(lǐng)域取得的進(jìn)步允許天文學(xué)家對恒星的內(nèi)部狀況進(jìn)行模擬，進(jìn)一步了解恒星爆炸的機(jī)制。不過，很多細(xì)節(jié)仍是一個未知數(shù)，例如爆炸如何發(fā)生，又與哪些內(nèi)部因素有關(guān)。

5．宇宙如何“再度電離”？

大爆炸是被普遍接受的宇宙起源和演化理論。根據(jù)這一理論，宇宙誕生于大約137億年前。大爆炸后，宇宙瞬間充滿熾熱的電子和氫離子、氦離子。直到約40萬年后，宇宙才冷卻到使電子和離子重新結(jié)合形成原子。130億年前的宇宙初期被稱為“再度電離”時期，因為第一批星體發(fā)出的輻射又開始電離原子的電子，早期宇宙的氫氣霧被清空，宇宙內(nèi)的絕大多數(shù)物質(zhì)變成可以傳輸光線的離子化等離子體，一直存在至今。這張藝術(shù)概念圖展示了大爆炸后不到10億年出現(xiàn)的星系，當(dāng)時的宇宙仍部分充滿氫氣霧。

6．宇宙射線來自何處？

宇宙射線的來源一直困擾著天文學(xué)家，他們用了一個世紀(jì)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(zhì)子、電子以及基本元素的帶電核——從外太空深處進(jìn)入我們的太陽系。宇宙射線的移動路線會因為太陽和地球磁場的影響發(fā)生彎曲。最強(qiáng)的宇宙射線能量極大。不過，這些奇異粒子的來源仍舊是一個不解之謎。美國科學(xué)家最近的研究發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了有關(guān)超高能宇宙射線的一個重要理論，即它們來自于伽瑪射線爆發(fā)。

7．太陽系為何如此怪異？

我們所在的太陽系擁有一系列獨(dú)特特征。處在最內(nèi)側(cè)的4顆行星均擁有多巖外殼和金屬核心，外側(cè)的4顆行星彼此相差甚多，每一顆都擁有獨(dú)特的特征。根據(jù)電腦模擬結(jié)果顯示，在太陽系形成過程中，相互撞擊的星子可以很輕松地形成3顆或者5顆類地行星，而不是4顆。搜尋系外行星并對其形成過程進(jìn)行研究能夠幫助科學(xué)家揭開太陽系形成之謎。

8．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50萬～600萬攝氏度之間。科學(xué)家一直無法理解太陽如何為日冕補(bǔ)充熱量。一般認(rèn)為日冕的熱量與日表下方的能量有關(guān)，但對于磁場如何輸送能量，科學(xué)家正進(jìn)行激烈討論。能量在抵達(dá)日冕后如何積聚是一個更讓人感到困惑的謎團(tuán)。圖為美國宇航局的太陽動力學(xué)觀測衛(wèi)星2011年9月拍攝的照片，等離子體羽狀云從1283太陽黑子所在位置噴出。此次太陽黑子共產(chǎn)生4次太陽耀斑和3次日冕物質(zhì)噴射。

【責(zé)任編輯】龐 云