宇宙暗世界-21世纪.宇宙科学

作者：孙彤，石雨祺著

页数：158 页

出版社：科学普及出版社

出版日期：2008

ISBN：9787110067147

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目录

节选

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    21世纪是人类全面探测太空、深入研究宇宙的世纪，是交叉科学
全面兴起的世纪。“迈向宇宙，走向太空”已经成为时代的声音。当代人
类的太空探测和宇宙研究，重点是天文、物理和航天探测的结合，这是
一个历史的跨越。这种完美的结合极大地推动了人类宇宙研究的进程，
并刺激了与之相关科学的繁荣。《迈向宇宙的天梯》系列丛书，为国家
“十一五”重点图书规划项目。本人有幸为此系列丛书作出自己的贡献，
在感到荣幸的同时，也深感压力，督促我尽全力写好此书。
    书中非正式地提到太空科学这个概念，相信在不久的将来会成为
现代科学重要的一支。
    太空是指地球稠密大气层之外的空间区域，一般认为距离地面
200千米之外。研究太空、宇宙的学科很多，简单归纳有以下几种：宇宙
学、粒子物理、高能物理、天体物理、天体化学、太空生物学、太阳物理
学、太阳系物理学、行星科学、陨石学、空间科学、探测科学、SETI科学
(探索地外生命)、航天学(宇宙航行)和月球科学等。书中为了方便起见
把这些科学门类统称为太空科学。
    21世纪，太空科学以惊人的速度实现着人类对科学极限的跨越!
毋庸置疑，其中航空航天已经成为我们这个时代的重点话题!来自太
空、宇宙的诱惑如此巨大，具有悠久文明史的中国当然更要作出自己的
贡献：“神舟号”飞船的成功升空，特别是载人飞船的一次又一次的成功
归来，确立了中国已进入航天大国之列。如今“嫦娥工程”的启动，宣布
中国航天将向太空深处延伸，“嫦娥”绕月的成功，更显示我国有能力迈
向宇宙，走进太空。
    今天。“太空热”、“天文和航天热”正在兴起，然而这并不是科学家
们的心血来潮，也并非纯粹是人类对理性的自我完善；我们所说的太空
科学也绝不是一门仅仅拘泥于“象牙塔”之中的学科，相反，它对于人类
的长远发展来说具有极其重大的意义。人类开发宇宙的意义，一方面在
 地球能源不断告急的今天，可设法从太空中获得更多资源；另一方面，
人类还可到宇宙拓展新的生存空间，等等。
    本套系列丛书主要涉及以下一些话题：宇宙、黑洞、反物质、神舟号
飞船、嫦娥工程、超光速，超新星、中子星、夸克星、火星、太阳黑子、中微
子、太阳系外行星、暗物质、暗能量、类星体、太空引力波、巨型射电望远
镜、地外生命、时光隧道(时间机器)、脉冲星、恒星形成，等等。这些都是
在过去几十年，特别是最近几年大家都非常关注的话题，书中试图给读
者满意的答案。
    不积跬步，无以至千里；不积小流，无以成江海。本套丛书的主题
是：“迈向宇宙，走向太空!”为了写好本书，笔者从三年前就开始广泛积
累素材．建立了天文物理科普资料专业数据库和业余数据库。这几年积
累起来的一篇小文章、小图片，如今终于形成了这套比较完整的宇宙太
空科普读物。
    最后谈谈本书的主要素材。本系列丛书的基本素材主要来源于笔
者在学习与科学研究期间听取院士、首席科学家、海内外著名学者前沿
专题报告的笔记；参加中科院“黑洞物理年”会议中涉及到的黑洞相关
前沿内容笔记；还有笔者在投入射电和红外(射电和红外是研究宇宙
早期情况的重要手段，同时射电又是深空探测以及地外文明探测的有
利工具)方面的近两年时间的专业研究工作，与同行在黑洞质量计算、
地外行星方面的专业研究工作积累的素材。笔者在科学研究的过程
中，还有幸接触了美国国家航天局、欧洲空间局，这些经历也使笔者深
人了解了国际国内宏伟的宇宙太空探测计划及其很多背景知识，这些
均为编写这套丛书打下了坚实的基础。
    本丛书还得到了众多老师、同学和朋友的帮助，由于他们的支持
和鼓励使得本书能够顺利与读者见面．这里要对他们的工作表示衷
心的感谢：
    首先要感谢的是陈建生院士，陈老师是北大物理学院天文系的主
任．笔者在求学期间深受老师培养战略科学家这种思想的影响。还有探
月工程的首席科学家欧阳自远院士。我看了很多先生主编的科普作品，
先生认真求实的科学态度、对科普事业的热心，令学生深受感动和教
 育。甘子钊院士是北大物理系老系主任，是物理学院的前辈，记得新生
开学的时候．甘老师的那场讲座．生动地描绘了物理学的美以及其在科
技发展中的重要地位，其中飞秒技术、磁共振，是甘老师为物理学院新
生上的大学物理第一课。以上三位院士的支持是笔者坚持到最后的强
大动力。
    为了本书能够让大多数人看懂，引入了另外一位作者石雨祺。小石
就读于北京师范大学，已经出版了几部作品，有比较好的文字水平。小
石在本书的编写过程中作出了大量的工作。也正因为小石的工作，本书
由刚开始的甚至专业人士都难以看懂的文字。到现在只要识字的读者
都可以通过浅显易懂的文字去了解神秘的宇宙。
    除此之外，北京大学的李新叶、李肇聿为本书的编写提供了大量的
资料；清华大学的王少轩、程华为本书的图片收集付出了努力；北大中文
系的刘月悦为本书的名字提出了很好的想法：逸思·好方法教育团队的
陈强先生为作者提供了与北京、上海和广州等地中学生面对面的交流机
会，使得作者能够更好地了解他们在宇宙太空科学上真正感兴趣的地
方：还有网易探索频道的徐超编辑在“嫦娥”探月专题中介绍了为配合
“嫦娥”1号的发射首推出的两本：《伸出地球的手》和《宇宙暗世界》。
    最后要感谢我的导师北大吴月芳教授、探月中心邹永廖主任、嫦娥
工程射电望远镜专家张宏波工程师、欧洲空间局赫歇尔计划中方负责
科学家黄茂海研究员，以及在北大做过天体物理前沿讲座的那些学者
专家们．还有北大天体物理前沿课程的主要组织者刘富坤教授等。书中
引用凝练着他们用智慧和汗水取得的研究成果、学术观点、数据和图片
资料以及在写作的过程中给予的帮助和指导。作为科普读物难以一一
列举他们的名字．在这里谨向他们表示深深的感谢和敬意。人类的进
步，科技的发展离不开这些夜以继日，默默奉献的科学工作者。
    孙彤
    2007年北京未名湖畔
 我们的宇宙，75％的部分是暗能量，21％是暗物质，剩下的4％是正常
物质。暗能量的引入是为了使宇宙膨胀，抵抗引力的作用，Urry教授提
出。假如暗能量的性质在宇宙膨胀到某个时候发生了变化，比如说它提
供的排斥力减弱．那么宇宙的未来就是“大压碎”，而如果暗能量继续保
持现在的性质的话，宇宙将会“不确定膨胀”下去，如果暗能量最后随着
宇宙的膨胀反而增强了排斥力的话，那么宇宙的将来就是“大撕裂”。
    uI-Fu教授的报告
    2007年美国耶鲁大学的Meg Urry教授来北京大学做了一场关于
暗物质和加速宇宙的报告。她向我们介绍了宇宙学研究的发展过程和
目前取得的一些进展以及今后的一些发展计划。正如Urry教授所说，
宇宙学的研究发展很快，尤其是最近的十来年取得了很丰富的研究成
果。人们对宇宙的了解进一步地深入。
    人类对宇宙的关注很早就开始了。但是真正的系统研究还是开始于
20世纪。从20世纪初物理学革命开始到90年代，人们对宇宙的理解迈
上了一个新的台阶。从20年代斯莱弗发现绝大多数星系存在红移到之
后哈勃提出的膨胀模型以及彭齐亚斯与威尔逊发现微波背景辐射，人们
逐渐建立起来了宇宙的大爆炸模型。如今。我们有了更加先进的观测设备
来进行宇宙学的研究，但同时也发现了更多需要解决的问题。
    我们的宇宙究竟是在加速还是减速膨胀呢?要解决这个问题必须
很好地测量出星系的红移。而距离我们太近的星系因为受到本地运动
的影响很难真实反映其退行的速度。这就需要我们观测那些遥远的星
系。但测定遥远星系的距离又十分困难。因此，选取一个很好的标准烛
光就成为首要的问题。经过多年的摸索，人们发现Ia型超新星的爆发
具有一定程度上固定的内禀光度变化规律，从而可以作为标准烛光使
用。在用哈勃太空望远镜观测了数个超新星事件后，我们得到了哈勃
图。从图上可以看出宇宙确实在经历一个加速膨胀的阶段，这也印证了
人们对暗能量的预期。暗物质的存在还是宇宙的膨胀加速，目前已经是
研究得非常热的一个宇宙学课题。
 宇宙加速膨胀的测定
  暗物质和暗能量是宇宙学中最神秘的两种物质，我们叫它们“暗”，
英文名是”dark”，意思是”Wedon’tknow”，对它们的研究是当前宇宙学
中的热门话题。Urry教授的报告由于是一个非正式的报告．因此她只是
简要地介绍了自己的小组成员在宇宙学方面的工作，其中包括了
GOODS计划对宇宙加速膨胀的测定以及未来一些研究暗能量和暗物
质的计划。
    我们想测量宇宙的大小，那么使用Ia型超新星作为标准烛光是最
直接的一种方法了，因为超新星爆发时的光度变化曲线是恒定的，因
此，当我们接收到SNIa的信号后，对它进行连续观测 ，然后作出光度
变化曲线，就可以推算出爆发时的真实光度是多少了。这样我们也就
能知道它离我们的真实距离．然后再根据观测得到的超新星的光谱来
推算出它的宇宙学红移。利用这些结果我们可以对各种宇宙学模型进
行限制
超新星惊奇
Urry教授这次报告的一个小标题叫做“超新星惊奇”。其中有一幅
 图，横坐标是红移z，从左到右增大，纵坐标反映了光度的大小，从下往
上是下降方向。假如宇宙是减速膨胀的话，那么在这幅图上的理论曲线
是初始水平，在高红移处下降。而对于纯粹是按照哈勃理论的关系膨胀
的宇宙(velocity distance)，在图上显示是一条水平的直线。在加速宇
宙模型下，低红移处的曲线会向上，也就是暗的方向偏移，然后在高红
移处又向下偏移。有了这副理论预计图，那么只要我们能做到观测到高
红移的样本，就可以实现对理论的限制。
      的超新星巡天t-k划
    在GOODS的超新星巡天计划里。他们利用HST发现了很高红移
的 型超新星．发现它是处于高光度的范围，因此基本上肯定了宇宙加
速膨胀的理论，而且肯定了我们所在的宇宙是平坦的。GOODS是一个
大天文台宇宙起源深空巡天计划。通过大口径空间望远镜联合对宇宙
天区进行巡测。GOOGS超新星巡天是其中一个比较重要的巡天，主要
是研究宇宙起源问题中的超新星。本章节后小知识部分对于GOODS计
划作了简单介绍。
  加速的宇宙
  现代宇宙学是爱因斯坦创立广义相对论后，把广义相对论应用于
宇宙学研究而开创出来的。现代宇宙学的核心内容是大爆炸(Big
Bang)，而哈勃膨胀(Hubble Expansion)、宇宙微波背景辐射(CMBR，
C0smic Microwave Background Radiation)和大爆炸核合成(BBN，Big
Bang Nucleosynthesis)则是大爆炸宇宙学的三大基石。
    一些明亮的超新星使得宇宙学家可以用之确定宇宙在不同时期膨
胀的速度。科学家们惊讶地发现宇宙正加速膨胀着，膨胀速度越来越
快，而不是像先前认为的减速膨胀。减速膨胀理论是广义相对论的自然
结果，曾得到天体物理学家的普遍相信。这就是神秘的“暗能量”的首次
登场．一种未知的力量抵抗着引力并把星系相互分开。