李程远不远 李程远:三项天文学重大进展

这篇文章说的是:2016年我们最应该了解的三项天文学领域重大进展。

李程远是澳大利亚麦考瑞大学学者,北京大学天文学博士。应“得到”知识新闻工作室的邀请,他为我们梳理了2016年最应该了解的三项天文学领域重大进展,下面跟你分享。

第一项重大进展是:人类首次直接探测到引力波

2016年,天文学领域最重要的进展莫过于人类直接探测到引力波,2016年2月11日,美国当地时间上午10点30分,由来自加州理工学院、麻省理工学院和激光干涉引力波天文台(LIGO)科学合作组织的科学家宣布,人类首次直接探测到了引力波。

该引力波信号实际上是2015年9月14日探测到的,但是从探测到信号到最终认证成为引力波,再以严肃的科研论文发表出来,中间需要经历大量细致的工作,因此,正式发布消息的时间比发现时间晚了将近5个月。

引力波大家可能多少都听说过,直接探测到引力波标志着广义相对论中的主要预言全都被证实,这是人类探索自然规律的重大胜利。根据广义相对论,时空并不是和中学课本中学到的那样,只是一个虚构的参考系,相反,时空像是实实在在的一块幕布,我们宇宙中各种物体和能量,比如恒星、星系以及它们发出的光,都镶嵌在时空这张大幕上不断运动演化,而它们本身也会影响到时空的结构。

根据广义相对论的预言,宇宙中的大质量天体加速、碰撞或合并时,它们将如同在水面上划出涟漪一样,创造出一阵“时空涟漪”朝外传播,这样的时空涟漪就称之为引力波。

直接探测到引力波具有相当重大的意义,引力波与大量的前沿物理学课题息息相关,比如黑洞是否存在、宇宙早期是否产生了神秘的宇宙弦、宇宙膨胀的速度有多快等等,由于音频的限制,我们没法详细介绍其中的每一个话题,有兴趣的读者可以参考我们文稿中引用的文献[1]。

直接探测到引力波还将导致引力波天文学的产生,一个发现直接产生一个学科,可想而知这一发现有多牛。目前天文学家观测宇宙主要还是通过接收天体的电磁辐射,比如说光学望远镜、射电望远镜、X光探测器等等。

而直接探测引力波的技术,一旦发展成熟,将使得天文学家们不仅能通过望远镜观看宇宙,更能通过引力波进一步“聆听”宇宙,这对观测天文学的影响,无异于让一个聋子突然获得听觉那样震撼。

第二项重大进展:发现最近的系外行星[2]

看过《三体》的读者可能知道,距离我们太阳最近的恒星——4.2光年外的比邻星属于一个三星系统。什么是三星系统呢?双星系统是两颗恒星通过引力结合在一起,相互绕转的行星系统,三星系统也类似,它是由三颗恒星结合成的引力系统。

2016年8月25日,欧洲南方天文台的团队在《自然》杂志上发表论文,宣告他们发现了这一三星系统中质量最小的那颗红矮星存在行星,换句话说,小说中的“三体”星被确认真实存在了。现实中这颗行星的名字是比邻星b,比邻星b的发现不仅仅只是印证科幻小说的猎奇而已,更重要的是,根据计算发现,这颗行星的质量大概是地球的1.

3倍,因此它很有可能和地球一样是一颗岩石行星,它所处的位置也刚好在恒星系的宜居带范围内,表面有存在液态水的可能,加上它又是距离我们最近的系外行星,这一系列的性质都集中在了比邻星b一颗行星上,成为了去年我们每个人不得不知道的天文热点。

比邻星b的发现还是人类技术的胜利。当行星围绕恒星旋转时,实际上是恒星与行星在绕着另一个点共同旋转,因此如果恒星周围存在其他的行星,那么恒星就会因为行星的存在而发生周期性的摆动。反过来说,如果测量到恒星的周期性的摆动,也能够推断出它周围行星的存在了。

欧洲南方天文台的团队正是利用全球不同的望远镜观察比邻星b所属的恒星,才发现了这一细微的摆动,从而推断出行星存在的。为什么说这是技术上的胜利呢?因为这一摆动的细微程度达到了1米每秒,相当于人类步行的速度,也就是说,在距离我们4.2光年的距离上,天文学家们探测到了恒星1米每秒的细微速度变化,这将人类对天体观测提高到了一个前所未有的精度。

比邻星b的发现势必将引发人类探索太空的热潮,它将成为人们利用下一代巨型望远镜寻找宇宙生命的首要目标,前所未有的近距离也使人们未来直接探访它变得可能,比如今年4月由霍金与投资人发起的“突破摄星计划”,主要内容就是发射小型探测器去探索比邻星,尽管这一计划的可行性依然有争议,但比邻星b已经毫无疑问地成为了人类探访系外行星的首要目标。

第三个重大进展是:新视野号探索柯伊伯带

新视野号是美国宇航局为了探索冥王星和柯伊伯带行星发射的一颗探测器,2015年那副著名的带一颗爱心的冥王星就是新视野号拍摄的。所谓柯伊伯带,指的是位于太阳系海王星轨道外侧的一个圆盘区域,这一区域主要是由小行星和太阳系形成时的一些残留遗迹组成的,许多著名的短周期彗星,比如哈雷彗星,就来源于柯伊伯带。

新视野号一直都是太空探索领域的大热门,2015年它就被美国《天文学》杂志评选为十大天文进展之一,今年依然如此。这主要是因为,探测器飞越冥王星获得的海量数据一直到2016年10月才完全发回地球,而基于这些数据,科学家们再次发现了令人震惊的结果。

科学家们发现,冥王星在过去几百万年里竟然有活跃的地质活动,这颠覆了之前人们对冥王星的认识,新视野号在冥王星表面发现了龟裂状结构,这预示着它有着温暖的内部结构,行星科学家们认为造成这一结构产生的原因是冥王星内部存在对流过程,就好像水烧开时会有气泡将底部的水翻滚到表面一样,冥王星内部可能也有类似的过程将核心温暖的物质带到地表,从而形成这样的龟裂结构。

新视野号还是未来几十年内最值得人们关注的一大太空探索热点,飞越冥王星只是新视野号任务的一个阶段,从今年开始,新视野号将继续朝柯伊伯带深处进军,陆续飞越几个柯伊伯带天体 。根据最初的设计,新视野号的探索任务将持续到2038年,到时候它到太阳的距离将达到地球和太阳之间距离的100倍,相当于冥王星到太阳的最大距离的两倍。

我们刚刚说到,柯伊伯带包含着许多太阳系形成初期的残留遗迹,过去的理论还认为,地球表面的海洋形成也与柯伊伯带的冰有关,因此探索柯伊伯带将帮助科学家们进一步理解太阳系和地球海洋的起源,而研究冥王星也对人们理解行星大气活动十分重要,甚至可能帮助人类在未来找到适合移民的星球。

由于音频的限制,这里我们只介绍了天文学家们公认的过去一年最值得关注的天文进展,然而天文学家们对未知的宇宙探索所取得的成绩远不止于此。比如人类探索火星计划的实施、银河系中心的极端高能粒子、第九大未知行星泄漏踪影、“朱诺”号探索木星、对神秘的宇宙快速射电暴的探索,还有可重复回收火箭技术的突破等等。对天文学与太空探索有积极兴趣的读者,这些都是值得大家进一步了解的天文热点事件[3]。

以上就是李程远博士整理的2016年天文学领域的三大进展,供你参考。