天文学前沿“两朵乌云”暗物质与暗能量

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　　“古代天文学，以天体测量为主，主要研究天体在空间的位置及其运动；至牛顿时代，牛顿创立牛顿力学，使天文学出现了一个新的分支——天体力学，这是天文学发展历史上的一个巨大飞跃；以爱因斯坦提出广义相对论为标志，天体物理学自此诞生并一跃成为天文学研究的主流……”
　　“2009国际天文年”来临之际，中国天文学会理事长、中科院国家天文台副台长赵刚博士，就现代天文学前沿热点问题，应邀接受本报记者采访。
　　本世纪天文学“两朵乌云”：暗物质与暗能量
　　上个世纪30年代，诺贝尔奖获得者密立根，曾致力于将位于美国加利福尼亚州南部城市帕萨迪纳的加州理工学院，建成世界一流的研究机构。他聘用的第一位从事天体物理研究的学者，是瑞士籍科学家弗里兹·兹威基。1934年，兹威基研究了星系团内星系的运动，首次提出暗物质存在的可能性。
　　星系在宇宙中有一种成团倾向，彼此之间有引力联系，由其构成的体系称为星系群；若受引力束缚在一起的星系群不止几十个，而是几百个、上千个、几千个，那么就称为星系团。星系团中成百上千的星系，因被自身引力束缚，运动速度与引力必须达成平衡才不致出轨；而且引力越强，运动速度越快。然而，兹威基发现，星系团内星系远远不足以产生如此大的引力，一定还存在人类看不见的其他物质，他称之为暗物质。
　　暗物质存在的直观证据，是引力透镜现象：当遥远星系发出的光途经某个星系团附近时，光线就会因星系团引力偏折，这时的星系团就好似一个透镜，朝这个方向望去就会看到巨大的光弧甚至同一个星系的几个不同镜像。
　　1990年，美国航天飞机将哈勃太空望远镜送上太空。根据哈勃望远镜获取的观测资料，人们计算出宇宙年龄大约为120亿年～140亿年；然而天文学家已知有些古老的球状星团，它们的年龄约为140亿年～160亿年左右。这便显现出一种矛盾，即宇宙年龄居然比某些球状星团年龄小。
　　后来，一个意外发现震动了科学界。天文学家称为Ia型的超新星，因其爆炸时发出光的亮度是固定的，故可作为一个标准烛光。知道了标准烛光，再用望远镜观测其亮度，就可确定其距离。十几年前，由利斯等人和帕尔莫特等人组成的两个独立天文研究小组几乎同时宣布：利用Ia型超新星作标准烛光，他们发现宇宙正在加速膨胀。此前，几乎所有人都认为宇宙膨胀一定是减速的，因为万有引力对膨胀只起减速作用。
　　宇宙加速膨胀这一发现表明：宇宙年龄比人们原来想象的要长，而且其中要么存在斥力，要么存在科学家称之为暗能量的负压强。
　　“了解暗物质和暗能量，是21世纪科学史的大挑战。”2008年10月12日，“隆重纪念望远镜发明400周年——科学大师演讲会”在北京人民大会堂举行，1957年诺贝尔物理学奖获得者、美国哥伦比亚大学教授李政道在演讲中提出上述观点。他指出：“宇宙总能量约5%是已知物质的能量；约25%是暗物质的能量，约70%是暗能量。但什么是暗物质、暗能量，我们不知道。”
　　本世纪一项方兴未艾探索：地外智慧生命
　　火星被认为是太阳系中最有可能存在地外生命的行星。
　　早在19世纪末，“火星运河”的“发现”曾热遍全球。人们推测，火星上既然有人工运河，就一定会有火星人。此后于20世纪初掀起的认识火星人的热潮，便不曾中断。
　　火星具有与地球非常相近的特征：公转周期只有1.9回归年，同地球相差不大；自转周期即一天的变化同地球几乎相同：只比地球长140分钟，近2.5小时；火星划分5个带：中间的热带，温度在20摄氏度～80摄氏度左右，南北的温带以及两端的极冠。
　　火星上是否真曾存在生命？
　　1975年8月20日和同年9月9日，美国航空航天局先后发射两艘无人飞船海盗一号、海盗二号，在火星表面开展3项寻找生命实验即放射性同位素示踪、光合作用和呼吸作用生物学实验。3个实验均未找到生命存在证据。然而，人类仍然怀有两种希望：如果火星现在没有生命，是否在很久以前曾有生命存在；现在火星上或许存在一些低级生命，只是对人类精心设计的实验没有反应。
　　太阳系中大行星即木星、土星及天王星、海王星又呈现何种状态？
　　从现今探索结果看，这些大行星的大气主要由液态的甲烷、氢和氨构成，其存在生命的可能性非常小。
　　太阳系外，银河系其他类似太阳系的恒星-行星系统，又有多大可能有理性生命存在？
　　惟有类似太阳大小的恒星-行星系统，才有可能存在生命。大质量恒星演化非常快，从生到死仅约几百万年时间，而生命很难在如此短的时间内产生；小质量恒星的光度太暗，其行星必须距它们很近，才能获取足够能量使生命过程发生。然而，绕恒星运动太近的天体将被引力场俘获，在自转制动下，它们总是以一侧相对恒星，这样便使其一侧太热而另一侧太冷。即使行星尽力保存大气，其强烈的星风亦难使两侧温度达到平衡。
　　到目前为止，人类仅寻找到300余颗系外行星候选体，显然尚需在太阳系其他区域、银河系其他区域以及不同星族的恒星周围，继续寻找系外行星。只有拥有更大样本的候选体，才能从统计学视角研究行星形成机制及其在银河系演化中所起作用。
　　人类即使探测到类地行星，与寻找到地外生命的目标仍相距甚远。为此，天文学家研究的下一个目标将是某些系外行星候选体大气成分，以寻找系外生命存在的迹象。
　　本世纪重大天体物理问题：星系形成与演化
　　宇宙从何而来？由大量恒星组成又作为宇宙基本单元的星系是如何形成和演化的？赵刚向记者推荐毕洪、邹振隆、陈学雷撰写的《宇宙大爆炸》一文，回答这一问题。
　　300多年前，牛顿认为：宇宙永恒存在，且空间无边无际。20世纪，一些科学家包括爱因斯坦、勒梅特、伽莫夫等，彻底颠覆了这种见解。经研究和观测证实，宇宙起源于一次“大爆炸”。
　　“大爆炸”理论认为，大约137亿年前，宇宙从极端高温高密状态起源，此后随其体积膨胀和温度下降，以质子、中子等基本粒子形态存在的物质，最先结合形成氘、氚、氦、锂等较轻元素；随后进一步冷却形成恒星，在恒星内部合成碳、氧、硅、铁等重元素；再抛射到周围形成行星；最终，像地球这样条件适合的行星演化出生命，成为目前的宇宙。
　　1905年，爱因斯坦提出狭义相对论；10年之后，他又提出广义相对论。相对论同量子论一起推动了20世纪物理学革命，亦为从整体上研究哈勃发现的星系宇宙，奠定了理论基础。
　　20世纪20年代，天文界围绕星系是否为银河系一部分的问题，曾展开一场大讨论。就在这时，天文界新秀埃德温·哈勃来到美国威尔逊天文台。1922年～1924年期间，他分析一批造父变星亮度之后断定，这些造父变星和它们所在的星云距地球远达几十万光年，因而一定位于银河系外。1925年，他根据河外星系形状对其分类，又得出第二个重要结论：星系看起来都在远离地球而去，且距离越远，远离速度越高。哈勃于1929年发表的这个初步结论后来被更多观测所证实，成为人们公认的“哈勃定律”。
　　“哈勃定律”的重要意义在于，它表明宇宙并非如天文界以前认为的那样是静止的；它显示出宇宙中的星系就像一个膨胀气球上的斑点，随膨胀而退行已达100亿年～200亿年，从而为此前弗里德曼和勒梅特的膨胀宇宙模型提供了观测依据。
　　1946年，一位移居美国的苏联科学家探索宇宙中基本元素如何形成问题。他坚信，高热爆炸产生的辐射，即使是在100多亿年后的今天，亦不会完全消失。
　　这一预言被后来的观测研究证实：微波背景辐射即是大爆炸的“余烬”；随着宇宙不断膨胀，其背景辐射温度亦逐渐降低，迄今相当于绝对温度2.7度即零下270.46摄氏度黑体发出的微波辐射。所谓黑体，是指能全部吸收外来电磁辐射而毫无反射和透射的理想物体。黑体发出的辐射在不同波长上的分布，仅与黑体温度有关。
　　1989年的一个早晨，美国航空航天局将COBE卫星送上太空。COBE最初9分钟的观测结果就表明，宇宙微波背景辐射具有完美的黑体辐射谱。宇宙大爆炸理论进一步得到证实。
　　两名美国学者约翰·马瑟和乔治·斯穆特，根据COBE卫星测量结果进行分析计算后发现，宇宙微波背景辐射与绝对温度2.7度黑体辐射非常吻合，此外微波背景辐射在不同方向上温度有着极其微小的差异，亦即是说存在所谓的各向异性。
　　2006年12月3日，瑞典皇家科学院宣布，将该年度诺贝尔物理学奖授予美国科学家约翰·马瑟和乔治·斯穆特，以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性。
　　诺贝尔奖评审委员会发布的公报说，马瑟和斯穆特的成果有助于研究早期宇宙，并能帮助人们更多地了解星系和恒星的起源。