探索十大神秘宇宙之谜

宇宙是一个很奇妙的地方,现在我们就来看一看宇宙中那些最神秘的事情。反物质:就像超人也有另一个自己“毕沙罗”一样,组成世间万物的粒子们也有自己的对立面。一个电子有一个负电荷,那么它的相对应的反物质就带有正电荷。物质与反物质相碰撞时会泯灭,它们会根据爱因斯坦的E=mc2公式来释放能量。在未来,可能一些飞行器会使用这种反物质来设计引擎。


  宇宙是一个很奇妙的地方,现在我们就来看一看宇宙中那些最神秘的事情。反物质:就像超人也有另一个自己“毕沙罗”一样,组成世间万物的粒子们也有自己的对立面。一个电子有一个负电荷,那么它的相对应的反物质就带有正电荷。物质与反物质相碰撞时会泯灭,它们会根据爱因斯坦的E=mc2公式来释放能量。在未来,可能一些飞行器会使用这种反物质来设计引擎。

  微型黑洞,又称作量子力学或者迷你黑洞,是很小的黑洞。被称作量子力学黑洞是因为在这个尺度之下,量子力学的效应扮演了非常重要的角色。
  
  有可能这些量子层级的原始黑洞是在早期的宇宙(或者大爆炸时期)里面高密度的环境,或者是在随后的相变里面被产生出来。透过因霍金辐射效应所预计散射出的粒子,在不远的未来,说不定天文物理学家可以观测到这些黑洞。
  
  有些涉及到多次元的理论,预测存在一些微型黑洞的质量可以小到电子伏特的范围,这种程度的能量可以在像是LHC这种粒子对撞机里面产生出来。因此有一些大众担心这会导致世界末日。然而,这种量子黑洞会很快的蒸发(evaporate)掉,仅仅留下很小的交互作用或者全部消失。而且除了这些理论之外,我们注意到射向地球的宇宙线并没有对地球产生任何伤害,即使这些宇宙线的质心带有的能量也高达了数百TeV

  微型黑洞:如果“膜宇宙”的理论是正确的,那么我们的太阳系可能遍布着上千个迷你黑洞,每一个大小都在原子核大小,它们和那些大黑洞不一样,是宇宙大爆炸的遗留物,对时空的影响也不同,可能和第五维有着密切的关系。

  宇宙微波背景:宇宙微波背景也简称为CMB,这些辐射残留是大爆炸时期的产物。它于60年代被第一次发现,似乎是一种源自宇宙各个地方的无线电噪音。CMB是大爆炸理论的最好的证明物。最近的精确测量将CMB的温度定位在了华氏-455度。

  所谓宇宙背景辐射,是一群古老的光子。光的传播跟声音传播一样,需要一段时间传递。在一个山头打出的光,另一山头的人需一段时间后才能看到,因为光有一定的速度,因此我们所看到越远的东西,事实上是它越早之前发出的光,经过一段时间才到达你的眼睛。因此在宇宙中,当我们看越遥远的星体,看到的是它越早以前的样子,我们不仅看见140亿光年大小的宇宙,也可以看到140亿年前的宇宙。宇宙背景辐射是在宇宙大爆炸後10万年发出,经过140亿光年才到达地球。1992年美国太空总署人造卫星COBE第一次成功看到全天早期宇宙长相,记载各个不同方向上古老光子的强度,即各方向上宇宙140亿年前的长相。这项发现大大震撼了90年代的天文界,因为推翻了原来大家以为早期宇宙的光应是均匀分布的想法。

 

  暗物质:科学家认为暗物质是组成宇宙中大部分空白的物质,但在现有的技术下它们既不能被观察也无法被检测到。它们编辑轻量级的中微子到看不见的黑洞之间。一些科学家甚至怀疑暗物质是否存在,并且暗示它们被认为是可以解释重力作用的关键因素。

暗物质与暗能量被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题,它们代表了宇宙中90%以上的物质含量,而我们可以看到的物质只占宇宙总物质量的10%不到(约5%)。暗物质无法直接观测得到,但它却能干扰星体发出的光波或引力,其存在能被明显地感受到。科学家曾对暗物质的特性提出了多种假设,但直到目前还没有得到充分的证明。
  
  几十年前,暗物质(darkmatter)刚被提出来时仅仅是理论的产物,但是现在我们知道暗物质已经成为了宇宙的重要组成部分。暗物质的总质量是普通物质的6.3倍,在宇宙能量密度中占了1/4,同时更重要的是,暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质现在还是个谜,但是如果假设它是一种弱相互作用亚原子粒子的话,那么由此形成的宇宙大尺度结构与观测相一致。不过,最近对所有星系以及亚星系结构的分析显示,这一假设和观测结果之间存在着差异,这同时为多种可能的暗物质理论提供了用武之地。通过对小尺度结构密度、分布、演化以及其环境的研究可以区分这些潜在的暗物质模型,为暗物质本性的研究带来新的曙光。 

   系外行星:直到九十年代早期,我们唯一熟知的行星还是太阳系内的这几颗。但目前科学家们已经确认了超过500颗系外行星(截止到2010年11月)。它们的范围遍及庞大的气体星群到微小到难以称为行星的物质,包括暗轨道上的岩石,红矮星等等。但第二地球的搜寻还在进行中。天文学家们依旧相信技术的发展会让我们最终找到类似的世界。
  
  所有恒星成分都以最轻的氢和氦为主,但亦有小量较重的原素如铁,天文学家以此描述恒星的金属性。较高金属性的恒星通常拥有较多行星,而且行星亦倾向有较高质量。
  
  绝大部分已知的系外行星都是高质量的,当中90%是超过地球的10倍,很多亦明显比太阳系最重的木星为高。然而这只是一种观测上的选择性偏差,因为所有侦测方法都利于寻找高质量行星。这种偏差令统计分析难以进行,但似乎低质量行星实际上比高质量的更为普遍,因为在困难的情况下天文学家仍能发现一些只比地球质量高数倍的行星,显示它们在宇宙中应甚为普遍。
  
  已知的系外行星中,相信绝大部分有大量气体,如太阳系中的巨行星一样。但这只有经凌日法方可证实。部分小型的行星被怀疑由岩石构成,类似地球和其它太阳系内行星。

  很多系外行星的轨道都比太阳系的行星要小,但这同样是因为观测限制带来的选择性偏差,因为视向速度法对小轨道的行星最为敏感。天文学家最初对这种现象很疑惑,但现在已清楚大部分系外行星(或大部分高质量行星)都有很大的轨道。相信在大部分行星系统中,都有一或两个大型行星的轨道半径类似木星和土星的轨道。
  
  轨道偏心率是用作形容轨道的椭圆程度,大部分已知的系外行星轨道都有较高的偏心率。这并非选择性偏差,因为侦测的难易程度和轨道偏心率没有太大的关系。这种现象仍是一个谜,因为现时有关行星形成的理论都指轨道应是接近圆形的。这亦显示太阳系可能是不平常的,因为当中所有行星轨道基本上都是接近圆型的。
  
  有关系外行星仍有不少未解之谜,例如它们的详细成分和卫星的普遍性。其实最有趣的问题之一是这些系外行星能否支持生命的存在。一些行星的确是处于生命适居的范围内,条件可能和地球类似;这些行星大都是类似木星的巨型行星,若它们拥有大型的卫星便是最有机会孕育生命的地方。然而即使生命在宇宙间普遍存在,若他们并非有高度文明,以星际距离之远实难以在可预见的时间内发现。

  
  

 

  引力波:引力波是爱因斯坦的广义相对论中提及的时空扭曲面。引力波是以光速运行的,但它们非常微弱,不想科学家期望的那样,可以引发一些大型的宇宙事件,比如黑洞的产生。LIGO和LISA是两个发送出去检测引力波的专门探测器。

  引力波以波动形式和有限速度传播的引力场。按照广义相对论,加速运动的质量会产生引力波。引力波引力波的主要性质是:它是横波,在远源处为平面波;有两个独立的偏振态;携带能量;在真空中以光速传播等。引力波携带能量,应可被探测到。但引力波的强度很弱,而且,物质对引力波的吸收效率极低,直接探测引力波极为困难。曾有人宣称在实验室里探测到了引力波,但未得到公认。天文学家通过观测双星轨道参数的变化来间接验证引力波的存在。例如,双星体系公转、中子星自转、超新星爆发,及理论预言的黑洞的形成、碰撞和捕获物质等过程,都能辐射较强的引力波。我们所预期在地球上可观测到的最强引力波会来自很远且古老的事件,在这事件中大量的能量发生剧烈移动(例子包括两颗中子星的对撞,或两个极重的黑洞对撞)。这样的波动会造成地球上各处相对距离的变动,但这些变动的数量级应该顶多只有10^-21。以LIGO引力波侦测器的双臂而言,这样的变化小于一颗质子直径的千分之一。这样的案例应该可以指引出为什么侦测引力波是十分困难的。

  

 行星吞食: 天文学家认为,大型螺旋星系通过“吞噬”附近的矮星系(只含有几十亿颗恒星)不断生长壮大。矮星系是体积较小的卫星星系,它们被拖向饥饿的螺旋星系并在巨大的引力作用下被撕成碎片。在随后的几十亿年时间内,矮星系降级为束状和卷须状结构,被称之为“潮汐流”。再经过几十亿年时间,这些微弱的恒星流将被螺旋星系吞噬。
  
  自1997年以来,天文学家便在我们的银河系和邻近星系周围,发现潮汐流以及其他与星系内狂暴的吞食事件有关的结构。此次最新观测由马克斯·普朗克天文学研究所的大卫·马特奈兹-德尔加多领导,第一次证明更为遥远的星系周围同样存在这些结构,进而有力地支持了“以大吃小”这一星系进化理论。马特奈兹-德尔加多在一封电子邮件中表示:“这一过程对椭圆星系来说同样非常重要。我们只研究本地宇宙内位于银河系附近并且质量与之接近的螺旋星系,因此可以了解银河系的形成。”

  就像地球上的生物一样,星系们也会随着时间的推移“吞食”对方。银河系的近邻仙女座,现在就正在进食它的一颗卫星。仙女座有十几个分散的星团,它们都是宇宙过去的残羹剩饭。这张图片模拟得是大概三亿年前仙女星座与银河系的一次碰撞。

  

 

  中微子:要说中微子,就不得不提它的“老大哥”——原子基本组成之一的中子。中子在衰变成质子和电子(β衰变)时,能量会出现亏损。物理学上著名的哥本哈根学派鼻祖尼尔斯·玻尔据此认为,β衰变过程中能量守恒定律失效。
  
  1931年春,国际核物理会议在罗马召开,当时世界最顶尖的核物理学家汇聚一堂,其中有海森堡、泡利、居里夫人等。泡利在会上提出,β衰变过程中能量守恒定律仍然是正确的,能量亏损的原因是因为中子作为一种大质量的中性粒子在衰变过程中变成了质子、电子和一种质量小的中性粒子,正是这种小质量粒子将能量带走了。泡利预言的这个窃走能量的“小偷”就是中微子。
  
  中微子的电荷是中性的,它们比基本粒子质量要轻,可以毫无阻碍的穿过几千公里,比如你正在阅读这段文字时,就会有一些穿过你的身体。这些“幽灵粒子”产生于一些内部反应,还有一些超新星爆炸等。在一个中微子检测项目中,不少探测器被置入了地下、深海或大冰川的内部。、
  
  中微子有大量谜团尚未解开。首先它的质量尚未直接测到,大小未知;其次,它的反粒子是它自己还是另外一种粒子;第三,中微子振荡还有两个参数未测到,而这两个参数很可能与宇宙中反物质缺失之谜有关;第四,它有没有磁矩;等等。因此,中微子成了粒子物理、天体物理、宇宙学、地球物理的交叉与热点学科。

  

 

   类星体:类星体是迄今为止人类所观测到的最遥远的天体,距离地球至少100亿光年。类星体是一种在极其遥远距离外观测到的高光度和和强射电的天体。类星体比星系小很多,但是释放的能量却是星系的千倍以上,类星体的超常亮度使其光能在100亿光年以外的距离处被观测到。据推测,在100亿年前,类星体数量更多,光度更大。
  
  类星体,又称为似星体、魁霎或类星射电源,与脉冲星、微波背景辐射和星际有机分子一道并称为1960年代天文学“四大发现”。
  
  类星体是宇宙中最明亮的天体,它比正常星系亮1000倍。对能量如此大的物体,类星体却不可思议地类星体巨大的能量小。与直径大约为10万光年的星系相比,类星体的直径大约为1光天(light-day)。一般天文学家相信有可能是物质被牵引到星系中心的超大质量黑洞中,因而释放大量能量(喷发激烈射线)所致。这些遥远的类星体被认为是在早期星系尚未演化至较稳定的阶段时,当物质被导入主星系中心的黑洞增添“燃料”而被“点亮”。

 这些明亮的星标对于我们来说是宇宙可见的边缘,提醒着科学家宇宙混沌的起源。类星体可以释放比上百个星系结合在一起还要多的能量。它们是遥远星系中心的可怕黑洞。这张图拍于1979年,是类星体3C 273

  真空能量:真空能量是一种存在于空间中的背景能量,即使在没有物质的空间(称为自由空间)亦然存在。真空能量导致了多数基本力的存在。它的效应可以在各式各样的实验中观测到,例如光的自发放射、伽马辐射、卡西米尔效应、范德瓦耳斯尔力、兰姆位移等等。另外它也被认为与物理宇宙学中的宇宙常数项有关

  量子力学说,真空空间是由“虚拟”的亚原子粒子产生的气泡,每时每刻都在不停的出现和消失。这些稍纵即逝的例子赋予了空间一定的能量,这种能量根据广义相对论,可以制造反重力的作用力,让空间分离膨胀。不过就算这样解释,也没有人真正知道造成宇宙不断膨胀的真正原因是什么。