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哈勃望远镜20年5大发现 从宇宙年龄到系外行星

http://www.kexue.com 2010-04-24 18:23:16 新浪科技  发表评论


2009年宇航员对哈勃进行最后一次太空大修


2009年太空维修期间拍摄的哈勃太空望远镜

  北京时间4月24日消息,据国外媒体报道,哈勃太空望远镜是有史以来制造的最为强大同时也最为多产的科学仪器之一。此外,这架望远镜同样也是现代科学研究史上的一项技术奇迹。自从1990年4月24日升空的20年来,哈勃望远镜所拍摄的具有突破性的照片更是一次又一次让天文学家和普通公众陷入兴奋和震惊之中。

  “哈勃”的观测发现让从行星学到宇宙学的几乎所有天文学研究领域经历一场革命。迄今为止,这架望远镜共拍摄了3万多幅天体照片以及超过57万幅其他照片。很多宇航员都曾执行过“哈勃”维修任务。一次又一次的维修让“哈勃”成为历史上制造的服役时间最长的太空观测设备。借助于例行维护和升级,“哈勃”的功率比最初发射时提高了100倍。除了在科学研究方面发挥着非常重要的作用外,“哈勃”也同样将一个又一个宇宙奇观奉献给全世界亿万家庭和学校,让普通公众有机会与这架令人钦佩的望远镜一同探索神秘的宇宙。

  以下列举的是“哈勃”上演的五大科学发现

  1.一个处于加速状态的宇宙


已知三颗距离地球最遥远的超新星

  通过观测遥远爆炸恒星发出的光线,“哈勃”帮助天文学家发现了暗能量。这种能量充斥着宇宙各个角落。暗能量是一种神秘的能量形态,能够产生与引力相反的排斥力。此外,这架望远镜还发现了能够证明暗能量数十亿年来一直与引力“拔河”的证据。在暗能量的影响下,星系之间以不断提高的速度彼此远离对方,进而让宇宙不断膨胀并且速度越来越快。

  但暗能量并不总是坐在驾驶员的位置上。通过研究遥远的超新星,“哈勃”将暗能量的历史追溯到90亿年前,当时的宇宙体积还不及现在的一半。那段日子里,暗能量与引力为争夺宇宙控制权展开较量。在还没有赢得这场宇宙“拔河战”的胜利前,暗能量便奋力抵抗宇宙物质的引力拖拽。大约50亿年前,暗能量最终在这场与引力的较量中获胜。

  通过进一步了解暗能量随时间流逝表现出的行为,天文学家希望能够在揭示暗能量本质的道路上再向前迈进一步。暗能量在宇宙能量中的比重占到70%左右,但对于这种神秘能量,天文学家几乎一所所知。

  2.宇宙多大了?


测量不断膨胀的宇宙

  一些人不愿透露自己的年龄,宇宙似乎也是如此。在哈勃望远镜发射升空前,天文学家为测定宇宙年龄已经苦苦努力了很多年。他们用确定宇宙膨胀率的方式测定宇宙年龄。膨胀率这个值被称之为“哈勃常数”。由于哈勃常数具有很高的不确定性,天文学家最后计算出的宇宙年龄并不精确,在100亿年至200亿年之间。

  “哈勃”的其中一项重任就是帮助天文学家测定宇宙的准确年龄。通过计算数十颗被称之为“造父变星”的脉动变星亮度,这架望远镜帮助天文学家完成了测定宇宙年龄的目标。脉动变星的亮度是太阳的1000倍。在得出它们的亮度之后,天文学家又计算出这些恒星与地球之间的距离。通过这种研究以及其他相关分析,天文学家确定了更为精确的哈勃常数以及宇宙年龄,精确度达到5%左右。根据他们的计算,宇宙年龄应该在137.5亿年左右。

  3.星系处于不断成长状态


130亿年前形成的星系,那时距宇宙大爆炸仅过去6亿至8亿年

  “哈勃”的外层空间观测显示宇宙在很久以前就已经发生变化,这一发现证明,星系随着时间流逝会通过与其他星系合并的方式“生长”,最终成长为我们现在看到的巨大星系。借助于包括“哈勃深场”和“哈勃超深场”在内的一系列独特观测设备,“哈勃”望远镜对处于宇宙遥远区域的星系进行了拍摄。最近,“哈勃”又将镜头对准最为遥远的宇宙区域。在此期间,新安装的第三代广域照相机拍到可见光和近红外条件下宇宙最深处的照片并发现了存在于宇宙年轻时期的星系,当时的宇宙只有6亿岁。

  “哈勃”进行的所有“深场”观测都让天文学家进一步了解星系进化。“哈勃”观测到的星系体积比当前的大螺旋星系以及椭圆星系小,同时形状也更为不规则,说明大星系是在漫长的岁月变迁中由体积更小的星系碰撞合并后形成。

  通过研究不同时代的星系,天文学家可以了解星系如何随时间变化。这个过程就好比是一个大相册,里面记录着一个人从孩童到成年的各个成长阶段。“哈勃”太空望远镜还对星系稠密的中心区域进行了探测,提供了几乎所有超大星系中心地带都含有超大质量黑洞的决定性证据。

  超大质量黑洞是微缩版本的“怪物”,质量是太阳质量的数百万乃至数十亿倍。它们的引力如此巨大,以致能吞噬所有靠近的物质。这些诡异的“吃东西机器”无法直接观测,因为没有任何物质甚至是光线逃离它们的魔爪。“哈勃”望远镜提供了超大质量黑洞存在的间接但却强有力的证据。

  它还帮助天文学家通过测量黑洞周围快速运转的物质速度,确定数个黑洞的质量。“哈勃”望远镜对三十多个星系的研究表明,星系和黑洞之间存在着密切联系。研究发现,黑洞质量大小取决于其寄主星系核球的质量。核球越大,黑洞的质量也越大。这种亲密关系意味着,黑洞可能随其寄主星系演变,以隐藏于那些星系核心内的气体和恒星“为食”。

  4.探寻系外行星踪迹


艺术想象图:在一颗系外行星大气中首次探测到有机分子

  “哈勃”太空望远镜1990年发射之时,天文学家尚未在太阳系以外发现一颗行星。如今,已有400多颗系外行星被发现,其中大多数是地面望远镜的成果。不过,“哈勃”望远镜却对系外行星搜寻工作做出了独特的贡献。这台功勋望远镜的研究表明,银河系可能拥有数十亿颗行星。

  通过深入观测银河系拥挤的核球,“哈勃”发现了18万颗恒星以及16个绕各类恒星轨道运转的潜在外星球。其中五个代表新的极端类型的行星——“超短周期行星”,这些行星绕其恒星公转的时间不到一个地球日。天文学家通过测量一颗行星从其恒星前经过时光线的轻微变化发现这些天体。这类事件被称为穿越。

  这种穿越方法再次被用以对至少两颗系外行星的大气构成做出第一次观测。“哈勃”望远镜的观测结果表明,一颗已知系外行星的大气中含有钠、氧、氢、碳等化学元素。对另一个外星球的类似研究还发现了二氧化碳、甲烷和水的潜在迹象。这两个系外行星都有木星大小,由于表面温度太高不适于生命存在。然而,“哈勃”望远镜的观测表明,可以在绕其他恒星运转的行星上测量生命的基本化学构成。

  最终,“哈勃”望远镜拍摄了一颗绕附近明亮恒星Fomalhaut运转的系外行星的首张可见光照片。Fomalhaut恒星位于25光年远的南鱼座。一个直径约为215亿英里(约合346亿公里)的巨大盘状碎片围绕着这个天体。而那颗行星位于盘面内部边缘18亿英里(约合29亿公里)处,这大概是土星与太阳之间距离的10倍。

  5.揭开暗物质神秘面纱


a、b、c分别是35亿年前、50亿年前和65亿年前暗物质三维分布

  天文学家利用“哈勃”望远镜的数据制作出第一个暗物质三维图。暗物质是一种肉眼看不见的物质,占了宇宙总质量的大部分,构成了宇宙的基本结构。暗物质的引力作用于像气体和尘埃这样的正常物质,使它们聚集形成恒星和星系。虽然天文学家看不到暗物质,不过,通过观测暗物质引力令更遥远背景星系光线弯曲和变形,他们可以探测暗物质的存在对星系团的影响,这种现象被称为引力透镜(gravitational lensing)。

  天文学家利用“哈勃”望远镜的观测数据,结合引力透镜技术,通过研究50万个遥远的星系的照片,绘制出暗物质的三维图。新图提供了迄今主要以星系存在的正常物质聚集于最稠密暗物质区域的最佳证据。该图追溯了宇宙起源,揭示了一个由暗物质构成的松散网络。天文学家还利用“哈勃”望远镜观测暗物质在星系团大碰撞时的分布。

  例如,他们结合“哈勃”望远镜和钱德拉X射线望远镜的观测数据,发现暗物质和以炽热气体形式存在的正常物质被两组星系(被称为“子弹星团”)之间的碰撞所分开。天文学家在另一项利用“哈勃”望远镜对别的星系团所做的引力透镜效应研究中,发现了一个鬼影似的暗物质环,这个暗物质环是很久以前由两个巨大的星系团碰撞形成的。

  天文学家以前就曾怀疑,如果它们仅仅依赖于看得见的恒星的引力作用,此类星系团可能会分崩离析。暗物质环其实是两个星系团碰撞期间与正常物质分离的暗物质涟漪。对星系团碰撞的电脑模拟结果表明,两个星系团撞在一起的时候,暗物质会穿过这两个星系团的中心地带。随着暗物质从中心地带向外移动,它的速度开始在引力作用下慢下来,并堆积起来。(孝文)

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