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了解我们的宇宙后,你将更了解人类

作者:大象公会 来源:大象公会 公众号
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04-15

2019年4月,包括中国等世界各国科学家和机构通力合作,终于获得了首张黑洞照片。



黑洞是一个不容易理解的概念。黑洞究竟是什么?它既然看不见,连光都无法逃脱,人类又怎么能给它拍照呢?


youtube有一个很火的视频,上传者李永乐老师从伽利略、开普勒的望远镜讲起,讲到今天给黑洞拍照片的VLBI射电望远镜技术。如果你高中物理知识还没忘光,看完这个20分钟的短视频就应该差不多弄清楚「给黑洞拍照」这件事儿了。


· 开始于2012年的EHT计划(Event Horizen Telescope,事件视界望远镜),是一个以观测星系中央特大质量黑洞为主要目标的计划。这次的黑洞照片算是它的第一个重大发现。截图来自youtube,上传者李永乐老师。


或许大部分人仅仅是因为这次的版权风波才对黑洞产生好奇,但是了解它以后你会深深地为它背后的东西着迷。




专事于科普工作的NASA科学家金伯利·K.阿坎德在《NASA自然百科:认识宇宙》一书中,对黑洞给予了非常通俗易懂的全面解释。


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要了解黑洞,先从恒星开始。恒星消亡时才有可能产生黑洞。在宇宙中,当巨大的气体和尘埃云团坍塌时,其中央形成一个热物质内核,恒星由此诞生,就像我们熟知的太阳,这个诞生过程相当漫长。没有进入恒星核心的其他材料可能会变成行星、小行星和其他碎屑。我们的地球就是一颗行星。


· 这幅由艺术家创作的插图展示了一颗巨大的幼年恒星被布满尘埃的环紧密环绕的景象。


当这个为期数百万年的诞生过程结束时,恒星就开始通过一种名为核聚变的过程燃烧,或者说发光。原子的核心被称为原子核。核聚变是两个原子的核心相聚或融合的过程。发生核聚变时,两个原子核变成一个更重的原子核。与此同时,大量的能量会被释放出来。


正是这个原子核碰撞并释放能量的过程,为恒星提供了能量。当我们说一颗恒星在「燃烧」,指的就是这件事。在恒星整个生命的大部分时间里,这种燃烧过程涉及氢——宇宙中最轻也是最丰富的元素——聚变成氦的过程。我们的太阳现在就处于这个阶段。


它当一颗恒星缺少用来在核心进行核聚变的氢时(我们的太阳在大约50亿年内都不会出现这种情况),事情就变得更有意思了。随着核心的氢燃烧殆尽,那里不再产生能量。这会导致核心的缓慢坍塌和升温。


然而,核聚变的过程依然在持续,只是转移到了仍然还有氢的部位。这意味着核聚变开始在核心之外富含氢的气体层中发生,且在这个过程中为恒星提供能量。这时恒星进入天文学家所说的「红巨星」阶段。


· 这张由艺术家创作的插图展示了一颗红巨星的特写,它被一个充满尘埃和气体的圆盘围绕着,顶部和底部还有一对喷流。


当这一层的氢耗尽之后,红巨星中的核聚变过程开始将新创造出的更重的氦原子加入进来。随着核聚变过程沿着元素周期表不断前进,这些发生融合的氦原子变成了更重的元素,直到产生碳。


如果恒星的大小不足以产生融化碳的高温,恒星就会卡在这里。原子无法被聚变成新的原子,碳和氧开始在核心形成和聚集。随着恒星的核心吸引越来越多的物质,它开始升温。这会导致恒星的外层向外膨胀。


红巨星阶段并不总是一个平静和连续的过程。相反,随着核心中的核聚变开始像耗尽汽油的汽车一样喷溅,这颗恒星就会开始不均匀地向外喷射物质。这一阶段的恒星图像被称为「行星状星云」。


· 蚂蚁星云(Ant Nebula)拥有行星状星云典型的双极形状。一颗类似太阳的恒星将自己的物质从外层喷射出去,直到核心暴露出来,释放出照亮气体的光。这张图片结合了哈勃太空望远镜的可见光数据(绿色和红色)以及钱德拉X射线天文台的X射线数据(蓝色)。


当太阳进入这个阶段时——距离现在还有几十亿年,所以不要担心它会膨胀。这里所讲的膨胀不是膨胀一点,而是膨胀得非常厉害。实际上,天文学家推测当这件事发生时,太阳会向外膨胀得非常厉害,以至于吞没太阳系的内行星:水星、金星,甚至地球。


然后,我们的太阳和它的同类恒星将继续以红巨星的状态存在,直到再也没有任何可以释放的外层物质。留下来的将是一个密度很大的小型内核,天文学家称之为白矮星。由于没有可以用于燃烧的燃料,白矮星只能漂浮在太空中,散发着剩余的热量。这个过程会持续几十亿年,然后在某个时刻,这颗恒星最终会从一块滚烫的余烬变得冰冷黑暗。


· 这张插图展示了一颗恒星在一生中可能的变化路径,从一颗类似太阳的恒星(左下)变成红巨星(中上)、行星状星云(最右),最终成为一颗白矮星。


对于像我们的太阳一样或者更小的恒星,变成白矮星的缓慢过程是它们渐进而平静的命运,但是对于那些更大的恒星呢?简而言之,它们不会安静地走向死亡。那是因为它们的核聚变并没有因碳核聚变而停止,它们会继续这个过程,制造出越来越重的元素,直到铁元素被制造出来。


当这颗恒星开始将铁聚变在一起,它就遇到了大麻烦。这是因为当两个铁原子结合时,它们实际上吸收了能量,而不是像其他原子那样释放能量。这会引发失控的连锁反应,导致恒星冷却,压力陡然下降。这最终将导致整颗恒星的戏剧性坍塌。


当这颗恒星坍塌到核心上时,它会反弹,将恒星的外层物质全部抛射到太空中去。天文学家将这种爆发称为超新星爆发。超新星爆发释放出的能量如此之大,以至于它们的光芒可以盖过整个星系。考虑到一个星系含有数十亿颗恒星,这就让人觉得更了不起了。


当这些大质量恒星经历超新星爆发时,仍然会留下恒星曾经的核心。然而,这个核心的密度现在更大了,因为核心的坍塌一直在继续,直到所有电子和中子都被挤在一起,就像一群人正急于穿过出口却无处可去一样。这个被压缩的天体被科学家称为中子星,它的密度是如此之大,一汤匙中子星的重量就超过10亿吨。


· IC443是一个超新星遗迹,里面镶嵌着一颗中子星(图片中下部较亮的蓝色斑点)。这张合成图片中有三种不同类型的光,包括X射线(蓝色)、无线电波(绿色)和可见光(红色)。


但是当一颗恒星的体积极为庞大时,它的命运会比壮丽的超新星爆发并创造出一颗中子星更加离奇。最大的恒星会继续坍塌,直至形成一个黑洞。当一颗恒星坍塌成黑洞,没有任何东西能够从它身边逃脱——甚至光也不能。我们之所以能了解这些极端天体的存在,是因为我们看到了黑洞周围的物体以及黑洞通过它强大的引力对周围环境所产生的影响。


· 数百年来,科学家们一直推测,某些恒星可能会坍塌变暗,它们的引力会变得极为强大,以至于没有任何东西,就连光都不能从它们身边逃脱。这些黑暗的恒星被称为黑洞,如这幅图所示。由于任何类型的光都无法从黑洞逃脱,我们无法直接观察到它们的样子。但是有一种方法可以找到它们,那就是使用能够探测X射线的望远镜,寻找从旋转向黑洞的炽热气旋中所散发出的高能辐射。


在很长一段时间里,黑洞一直被当作科幻小说的噱头,但是天文学家有确凿的证据表明它们确实存在。实际上,我们已经了解到许多关于黑洞的情况。黑洞在吞噬周围物质的时候,会形成一个旋转的吸积盘,旋向黑洞的大量物质会猛烈撞击摩擦,散发出巨大的能量,这种能量电波可以为地球上的射电望远镜所捕捉。


但单个射电望远镜灵敏度和分辨率非常有限,很难探测。此次国际合作,就是通过全球多个射电天文台的协作,构建一个口径等同于地球直径的「虚拟」望远镜,使其功能提高到足以拍摄银河系中心的黑洞。


· 这张图片描绘了一个由大质量恒星坍塌后所形成的恒星质量黑洞。这个黑洞将一颗大质量蓝色伴星中的物质拽向自己。这些物质形成了一个圆盘(用红色和橙色表示),围绕黑洞旋转,然后落入黑洞,或者以强劲喷流的形式重新定向,从黑洞喷发出去。


实际上,黑洞的确是看不见的,但我们可以通过它「吃东西」时发出的光,来获得它的相貌。此次国际合作,收集的黑洞信息是M87,即室女座A星系,它距离地球约5500万光年,质量约是太阳的65亿倍。室女座是最大的黄道带星座,与其他同类型的黑洞相比,我们可以更容易、更详细地研究它。它将帮助解答人类对宇宙的疑惑,打开探索宇宙的新世界。


以上内容综合整理自《NASA自然百科:认识宇宙》

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说实话,虽然专业研究宇宙的人很少,但是每次与宇宙相关的热点新闻都能叫大家感到激动兴奋。


黑洞、外星文明、新的栖息地……我们其实活在一个极小的星球上,除了琐碎的烦恼和千篇一律的生活之外,人类其实还有更棒的事——仰望星空。


事实上,当你真的意识到自己不仅仅是社会生物,还是宇宙生物时,很多烦恼就变得不那么难以化解了。丰富浩渺的天体知识、神秘无垠的探索空间……这些东西并不仅仅是让你多一点知识,而是让你「看」见别的。


就好像伽利略的望远镜不仅仅看见了太阳上的黑子,而且戳破了宗教对于天穹的完美想象。与此同时,对西方人世界观的转变有着不可磨灭的影响。


如果你想要的不只是漂亮图片,但也读不懂动辄艰深的天体物理学专著,《NASA 自然百科:认识宇宙》是最合适的选择。它是介于天文图册和教科书之间的一本完美的旅行指南,是写给千千万万普通大众的宇宙通识课。


愿我们在知识中获得一种心灵解放。


《NASA自然百科:认识宇宙》

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从地球、太阳系、银河系,到宇宙深处,跨越137亿年,搜集了来自NASA哈勃、钱德拉和斯皮策三大太空望远镜多达220幅的全波段照片。这本书获得了哈佛大学天文学教授阿莉莎·古德曼全力推荐。


推荐理由一

侧重介绍宇宙全貌与现状,而不是天文学原理


对于大多数非天文学专业的人来说,学习天文学知识并不是一件很有乐趣的事情,也很难坚持下去。在今天这个大太空时代,你虽不必懂天文学,但了解宇宙、认识宇宙却是十分必要的。


《NASA自然百科:认识宇宙》就是这样一本侧重介绍宇宙全貌和现状,而不是天文学原理的科普书。


比如,在本书中,我们不需要理解「红移」原理究竟是什么,但能了解宇宙是膨胀的;不必懂得牛顿定律,但能了解科学家是根据牛顿定律来算天体质量,从而得出「暗物质」的存在结论。


本书的逻辑非常清晰,它抓住全景宇宙的主要脉络,纲举目张,用一本书把宇宙的整体概况和关键知识向我们介绍清楚。如果我们要游览宇宙,那它就是我们的宇宙旅行指南:它从地球开始,再造访月球和太阳,然后在太阳系的所有重要景点驻足。离开太阳系之后,再穿越银河系,向宇宙更深处进发,与或远或近的星系激情碰撞,体验暗物质的引力效应,思索神秘的宇宙暗能量。


宇宙的原理与面貌被细细铺展。


· 和恒星一样,许多星系会在引力的作用下聚成一团。这个由四个星系构成的星系团,是希克森清单(Hickson catalog,该清单以20世纪80年代提出这个清单的加拿大天文学家的名字命名)中最明亮的。希克森致密星系群44(Hickson Compact Group 44)位于6000万光年之外,使用质量不错的业余望远镜就能看到。


它不仅让我们了解宇宙全貌,并在各个主要节点,用人人能听得懂的语言向我们介绍关键,章节后面,还设有主要知识点小结,用以加深印象。



推荐理由二

面向大众,零基础也得看得懂


本书采用的是通俗的写法,用极简的语言讲述复杂的宇宙。即使是很难以理解的黑洞、暗物质和暗能量,也做了生动的解释和描述。


我们来体验下作者的通俗化写作风格,她是这样描述星系的:



黑洞既然看不见,我们又是如何发现黑洞的呢?



数百年来,科学家们一直推测,某些恒星可能会坍塌变暗,它们的引力会变得极为强大,以至于没有任何东西,就连光都不能从它们身边逃脱。这些黑暗的恒星被称为黑洞,如这幅图所示。由于任何类型的光都无法从黑洞逃脱,我们无法直接观察到它们的样子。但是有一种方法可以找到它们,那就是使用能够探测X射线的望远镜,寻找从旋转向黑洞的炽热气旋中所散发出的高能辐射。


同样,暗物质也是不发光,看不见,它又是如何被发现的呢?


作者在书中也用简单的语言解释了神秘的暗能量:科学家们发现宇宙正在以越来越快的速度在膨胀,这种以越来越快的速度分裂宇宙的神秘力量被称为「暗能量」,有人将它对宇宙的显著效应将其称为「反引力」。


推荐理由三

NASA专业的科普作家,25年沉淀之作


NASA不仅承担美国宇宙探索的任务,也肩负面向大众的科普任务。该书由NASA专门负责科普工作已有25年经验的科学家金伯利·K. 阿坎德和梅甘·瓦茨克执笔,用图片和极简的语言将深奥宇宙的全貌介绍给大众,讲清所有关键的宇宙知识点。


金伯利·K. 阿坎德和梅甘·瓦茨克是NASA久负盛名的科学家,两人致力于将深奥的宇宙介绍给普通大众,在一起合作超过 25 年。阿坎德是NASA钱德拉X射线天文台可视化部门负责人,专业从事天文图像及数据表达工作,并担任对外媒体协调官。瓦茨克是该机构的新闻发言人,主要负责天文学的大众科普工作。




两人的专业工作就是将深奥的天文图像和数据,用可理解的图示和文字清晰地表达出来,并向大众普及。


推荐理由四

NASA独家全波段宇宙实拍照片


本书图文并茂,采用了NASA哈勃、钱德拉和斯皮策三大望远镜220幅实拍照片,以及NASA其他太空飞行器和众多地面望远镜的珍贵照片。这些照片用整个电磁波范围描绘了完整的宇宙全景


光是认识宇宙的重要工具。作者在书中还介绍的关于光和颜色的重要知识。不同颜色的光与温度有什么关系?人类为什么需要这么多望远镜?那些宇宙照片颜色都是假的吗?



· 物体散发出的辐射波的波长通常与其温度相关。


· 我们需要用不同种类的望远镜观看不同种类的光。这幅插图展示了哪些种类的光会被地球的大气层吸收。例如,X射线(右上方)会被大气层阻挡,所以我们必须将航天器发射到相应高度的轨道上才能研究X射线。


· 这三张图片展示了卫星用三种不同类型的光观看到的整个地球——(顺时针方向)紫外线、可见光,以及红外辐射。


推荐理由五

及时呈现最新宇宙研究与发现


《NASA自然百科:认识宇宙》呈现的是最新宇宙研究成果,有的一改我们之前的传统认识。


我们对生命有了新的认识。过去人们通常认为,生命,包括地球之外的宇宙生命,只能在具备液态水、氧气、适宜的温度条件下才能生存,然而最新的科学研究发现,却打破了这一认知局限,大大拓展了人们对地外生命的想象空间。


生命复杂多变的程度远超出我们的想象,科学家也不应再按照地球的标准寻找地外生命。


· NASA在加利福尼亚州莫诺湖(Mono Lake)发现以砷(俗称砒霜)为食的所谓「外星细菌」,改写了生物教科书中对生命的通常定义


冥王星为什么不再归为行星?作者指出,随着对宇宙新的研究进展,人们发现在冥王星的轨道之外,发现了一条巨大的岩石带,它可能包含数十万个天体,被称为柯伊伯带(Kuiper Belt)。柯伊伯带的运行轨道紧紧贴着冥王星。天文学家还在柯伊伯带中发现了尺寸比冥王星还大而且和冥王星一样靠近太阳的天体。所以这就产生了两难的困境:如果将冥王星称为行星,那就只能将 柯伊伯带中的所有或部分天体也称为「行星」。最终,冥王星被划为矮行星。


推荐理由六

指出未解之谜,以及未来的探索方向


人类对宇宙的探索在不断向前推进,认识得越多,发现所知的越少。这本书还指出了人类对宇宙尚未理解的部分和疑问。


137亿年前的宇宙大爆炸之后,迅速膨胀为一具由氢和氦原子组成的超高温的「海洋」,在这段时间里,有个时期被称为「黑暗时代」,人类仍对此毫无所知。


· 这张图片展示了宇宙从大爆炸开始的演化历程。从左到右展示的自宇宙最早期直至现在的时间推进。科学家认为,第一批恒星是在大爆炸几亿年后形成的,第一批星系形成的时间也没有晚太多,而我们的太阳系大约是在大爆炸90亿年后形成的。


人类对于宇宙中「暗物质」和「暗能量」的了解也还非常地少。


· 宇宙大部分是黑暗的。在宇宙中,恒星、行星和我们人类在宇宙中的比重只是略高于4%,其余约96%的宇宙是由暗能量和暗物质组成的。


伽利略的望远镜让星体不再完美;射电望远镜让人类看见了黑洞。望远镜远不止「看见」这一个作用,更多的,它改变了「看」的方式。


而《NASA自然百科:认识宇宙》就是一个给我们的望远镜。透过这个镜筒,我们的乐趣不仅在于找到答案,还在于获得一种视角:相信我,了解我们的宇宙后,你将更加了解人类。


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