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最早,古人们的“宇宙”并非现代人所说的“宇宙”,古人说“天园地方”(意思即:天空是圆的,地是方的),在那时,“宇宙”指的就是天与地。后来,随着望远镜等观测技术的发展,人类可以观察到太阳系中的其他行星,再后来,随着多普勒红移理论德建立,背景辐射的测量以及其他自然科学的发展,“宇宙”变得广义。
宇宙黎明:天文学家发现宇宙第一颗恒星的指纹
“宇宙无限大”的发现
天文学家爱德文·哈勃看到了银河系以外的宇宙,接着他找到了启动“大膨胀理论”的第一个暗示。
近一百年里,宇航员们已经发现了类星体、脉冲星、黑洞及围绕着遥远恒星运转的行星。但所有这些与20世纪20年代几个了不起的年份里爱德文·哈勃所作的发现相比,就显得黯然失色。那时,他的大多数同事相信,银河系是几十万光年远的星星的漩涡状集合体,它构成了整个宇宙。但从南加州的威尔逊山寒冷的顶峰向太空深处看去时,哈勃认识到,银河系只是点缀在无法比拟的更巨大的背景中的数千个银河系中的一个。
哈勃继续作出的成就是他的一张王牌,说明充满着很多银河系的宇宙正在扩展——如一只大得不可想像的气球正在极大地膨胀——这样一个发现,该发现促使阿尔伯特·爱因斯坦承认并放弃“我一生中最大的错误”。简而言之,哈勃不只是除了发明宇宙的思想外无所事事,而是紧接着就为“大膨胀理论”提供了第一个证据,这个理论描述了宇宙的产生和进化。他发现了宇宙,这样做的同时他建立了宇宙学这一门学科。
哈勃在宇航领域的成功使他在洲界范围内获得了科学上的荣誉,并使他成为20世纪30~40年代受好莱坞尊重的人物——阿尔道斯·哈克斯勒的密友,查理·卓别林、海伦·海沃斯的朋友。
哈勃在芝加哥大学读本科时攻读理科,他个子高,体格强而有力,善于打篮球和拳击(据报道,拳击筹办人曾努力说服他成为职业拳击手)。学术和竞技力量的结合使得他获得了到牛津上学的罗得斯助学金。在英国,哈勃继续从事肌体锻炼;他从事拳击、田径,在几个首屈一指的垒球队中的一个队里打垒球,该队是在英国爱斯乐斯组建的。
他改变了的“版式学业”多亏对他弥留之际的父亲作出的承诺:他要学法律而不是科学(他也学文学和西班牙语)。一回到美国,他获得了一个做高中西班牙语教师的职位。尽管他受到学生们,尤其是根据哈勃传记作家格尔·克瑞斯提逊所说,受到女生的欢迎,她们明显地为他那做作的英国语言风格和“牛津怪癖”所着迷,但哈勃盼望重返科学界。
一年后,他登记成为威斯康辛州野克斯天文台的一名研究人员,开始进行会在未来某一天使他成名的工作:研究叫做星云的微弱、雾状的光点,这些星云甚至可以通过一般的望远镜看到。哈勃当一名天文学家的技巧如此引人注目,使他获得了权威的威尔逊山天文台的提名。第一次世界大战使他没有马上接受,但1919年他接受了这个崭新的被解控的专业。哈勃毛遂自荐到了天文台指挥部,还是穿制服,但将用刚刚做成的互克望远镜从事天文观察,这种望远镜是效力最大的望远望。
上了山,哈勃遇到科学上最强大的对手哈罗·夏普里,这个人早因测出银河系的范围而出名。夏普里用很亮的恒星系——叫做“色芬德变量”当标准光源,测出银河系竟有30万光年宽,比某人曾认为的要大十倍。而且夏普里宣称,整个银河系是一个蜡白色的宇宙球体。他认为,这个发光的星云正是它们看起来的样子:增多的气状的云块,这些云都靠得相当近。
哈勃没有这样肯定。就在1924年,在夏普里到哈勃天文台上任三年后,哈勃发现了相反的论据。哈勃在安德鲁米达星云里发现一颗色芬德变量恒星,他用夏普里的技术说明这座星云将近一百光年远,远远超出我们所在的银河系的边界。该星云现在人们知道是在包含数亿座星系的宇宙中离我们自己的银河系最近的一个成熟的星系。夏普里在给哈勃的一封信说:“我不知道我看到在星云问题上的这个突破时是惭愧还是高兴,也许二者都有。”这封信被传记作家克瑞斯提逊所引用(哈勃在胜利中不完全是心胸开阔的,到最后,他一直坚持用星云这个术语而不用夏普里喜欢的星系)。
哈勃发现宇宙是巨大的,银河系几乎微不足道,因而几乎是一夜之间在科学上一举成名。但他早已转到另一个新问题上。数年来,天文学家们已注意到,来到那座星云上的光比原来更红了。这种所谓变红的最有可能的原因是离观察者而去的运动(同类事情发生在声音上:当警车从一名听众身边奔驰而过时,警笛的声音似乎降低了)。
哈勃和他的助手密尔顿·哈姆逊开始测量这些正在退却的星云的距离,建立了现在被称作哈勃定律的东西:一个星系离地球越远,它跑开的速度越快。有可能,宇宙总的说来正迅速扩大吗?这样的结论非同寻常,几乎引起人的幻觉,却似乎无法回避。
当爱因斯坦听到哈勃的发现时,他欣喜万分。早在十多年前,他的新的广义相对论告诉他,宇宙一定要么在扩张,要么在收缩,但天文学者告诉他不是如此。由于没有作出更好的判断,爱因斯坦用另外一个因素演示起他的几个雅致的等式,他给这个因素起了一个宇宙学术语——一种反万有引力的力,它使宇宙不至于自我毁灭。
但突然间,这个宇宙学术语变得多余了。毕竟,爱因斯坦的直觉是对的。他犯的大错过去使他一直怀疑自己。1931年,在访问凯尔特克期间,这位伟大的重量级物理学家登上威尔逊山顶看天文望远镜,亲自感谢哈勃使他从愚昧中解脱出来。
由于当代最伟大的科学巨星向他表示敬意,哈勃理所当然地也变成了一颗受人欢迎的巨星。1936年他写的关于他的发现的书《星云王国》铸就了他的声望。游客和好莱坞名星一样,驱车上山,对哈勃发现宇宙的天文台惊叹不已。他和他妻子格雷斯双双被收入在加州社会的杰出人物之列。
一位艺术家对宇宙中第一颗恒星的描述。(版权所有)国家科学基金会N.R.富勒,
宇宙黑暗时代持续不超过1.8亿年。
天文学家从宇宙中的一些第一颗恒星那里获得了一个长期寻找的信号,确定这些先驱在大爆炸后仅仅1.8亿年就燃烧明亮。
科学家长久以来,人们一直怀疑早在那之前,黎明就已经降临到宇宙中;理论家的模型也预言了同样多的事情。但直到现在,研究人员才有证据支持这一观点。在这项新的研究之前,最古老的恒星可以追溯到大爆炸后4亿年。亚利桑那州立大学地球与空间探索学院的天文学家朱德鲍曼(Judd Bowman)说:宇宙:大爆炸到现在只需10个简单的步骤
“这将我们对恒星形成的时间和方式的认识推向了宇宙的早期,”
这些非常古老的恒星是开拓者。尽管它们是由原始的氢和氦结合而成,但它们启动了一个恒星诞生和死亡的持续过程,最终在亿万年里,给宇宙注入了重元素——地球这样的岩石行星是由重元素构成的。
“如果你看看我们的宇宙起源,”鲍曼告诉《太空》杂志,“梯子的最底层是第一个物体形成并丰富介质以使其他一切成为可能的过程。”
此外,鲍曼和他的团队发现的信号异常强烈。事实上,它是如此强烈,暗示着神秘的暗物质和组成恒星、你我以及我们在宇宙中所能看到的一切的“正常”物质之间可能存在着相互作用。
在噪音中筛选时间越早,就越难用诸如美国宇航局的哈勃太空望远镜。首先,要找的星星越来越少。直到大爆炸之后的5亿年,宇宙中充满了中性氢原子,它们擅长遮光。(来自第一颗恒星的辐射最终将这些原子分裂成其组成的质子和电子,产生一个更透明的电离等离子体,但这需要一段时间。)
因此,鲍曼和他的同事们采取了一种间接的途径,寻找这些早期恒星可能留在宇宙背景辐射(CMB)上的指纹-大爆炸遗留下来的古老光线。这种想法认为,恒星的紫外线辐射会激发氢原子进入一种不同的状态,导致它们吸收CMB光子。
理论上,这种CMB信号的下降应该是可以探测到的。因此,研究小组建造、校准并测试了一个厨房桌子大小的无线电天线,他们称之为“检测全球EoR(再电离纪元)特征(EDGES)的实验”,该项目由美国国家科学基金会(NSF)资助,
EDGES地面无线电光谱仪,在西澳大利亚的CSIRO的默奇森射电天文台。(澳大利亚CSIRO)然后,他们在西澳大利亚的Murchison射电天文观测站(MRO)安装了设备。MRO位于澳大利亚国家科学机构联邦科学和工业研究组织(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization)维护的一个非常安静的无线电区域。
该站点的无线电安静方面是关键,因为建模工作表明鲍曼和他的同事正在寻找与调频收音机拨号频率重叠的信号。研究人员已经不得不应对银河系中所有的背景无线电噪音。“我们银河系的惊人照片(图库)”
“这是一个巨大的技术挑战,使这一检测,”彼得库尔钦斯基,国家科学基金会项目主管,谁监督资金的边缘,在一份声明中说噪声源可以比信号亮10000倍。就像置身于飓风之中,试图听到嗡嗡声明伯德的翅膀。
但是边缘拾起了这个微小的翼瓣,发现了一个在78兆赫频率下最强烈的倾角。氢以相当于1420兆赫的波长发射和吸收辐射,因此探测到的信号边缘被“红移”——宇宙的膨胀将其拉长到较低的频率。当这些CMB光子被吸收时,这种红移的程度告诉了研究小组:宇宙诞生约1.8亿年后。
鲍曼和他的研究小组今天(2月28日)在《自然》杂志的在线研究中报告了这些结果。
这些在沙漠中有一个小型无线电天线的研究人员已经看到了更远的距离“比最强大的太空望远镜,打开了早期宇宙的新窗口,”库钦斯基说,
边缘信号在不到1亿年后逐渐消失,可能是因为超新星、黑洞和其他物体发出的X射线使氢原子在这一点上显著升温,鲍曼说:
是宇宙的时间线,更新后显示了第一颗恒星出现的时间(大爆炸后1.8亿年)。(国家科学基金会N.R.富勒)暗物质的参与?”“发现的信号边缘强度大约是团队预期的两倍。鲍曼说,对于这种令人惊讶的强度,有两种可能的解释:一种是早期的无线电背景比科学家们想象的要强烈得多,另一种是氢气明显变冷了。
研究小组倾向于第二种可能性,鲍曼说,因为很难想象一个能将无线电背景提高到必要水平的过程。弄清楚是什么冷却了氢也很难,但有一个很有前途的竞争者:暗物质,占物质宇宙85%的神秘物质。
暗物质既不吸收也不发射光,因此无法直接看到(因此得名)。天文学家从物质对“正常”物质的引力效应推断出物质的存在,但他们不知道暗物质究竟是什么。大多数研究者认为它是由尚未发现的粒子组成的,假设的斑点如轴子或弱相互作用的大颗粒。“KdSPE”“KDSPs”在以色列特拉维夫大学的天体物理学家Rennan Barkana的同一期自然研究中的一个单独的研究中,这表明,冷暗物质可能吸收了氢气中的能量,使其冷却。如果发生这种情况,“暗物质粒子不比几个质子质量重,远低于通常预测的弱相互作用的大质量粒子的质量,”巴卡纳在他的研究中写道,
如果巴卡纳是对的,鲍曼和他的团队已经研究了一些奇异的物理学,并发现了关于暗物质本质的一条重要线索很重要。[画廊:宇宙中的暗物质]
“我们一直在寻找任何能告诉我们
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