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当代天文学的发展

发布日期:2010-10-08 10:10:46 来源:市科协 字体:【    

  中国古代富有想象力的爱国诗人屈原在" 天问" 篇中,曾对宇宙的奥秘提出一连串的问号。今天,天文学和地球科学的发展,使这一个个宇宙之谜不断被揭开,一个个新谜又不断出现。借助于光学望远镜、射电望远镜和空间技术,人们的视野已扩展到150-200 亿光年的时空范围。相对论、核物理学和微波波谱学的渗透,促进了天体物理学的产生,使之成为当代天文学发展的主流。大爆炸等宇宙模型的提出,标志着宇宙学发展到一个新阶段。

  本世纪中期以来,由于资源、能源及生态环境等问题日益突出,地球科学的地位比以往更加重要。勘察、测试手段的不断进步,地球物理、地球化学、同位素地质学等分支学科的相继形成,以及国际间日益广泛的合作和大规模综合考察的进行,都极大地推动了地球科学的发展,使其从现象描述走上理论综合的道路。

  1.宇宙探测的进展及重大发现

  当代天文探测手段的进步,极大地拓展了天文学研究的范围,使人们发现了更多的天文现象,并更深入地认识到宇宙的奥秘。当代天文探测手段的主要进展有:光学望远镜的改进、射电望远镜的发展、空间技术的应用。当代天文重大发现主要是:脉冲星、类星体、3K微波背景辐射、星际有机分子谱线等。

  (1)宇宙探测手段的进展

  从17世纪伽利略首创天文望远镜到20世纪40年代以前,光学望远镜一直是天文观测的主要手段。随着天文学的深入发展,天文学家十分需要口径更大、分辨能力更强的望远镜。但大口径光学望远镜的制造,存在许多技术上的困难。30-40年代以来,光学、电子学、自动化、镜面材料、精密机械等方面技术能力的提高,为大口径光学望远镜的制造提供了可能。1948年,美国在帕洛玛山上建立了5.1口径的望远镜。其镜面重达5 吨,面积为20万平方厘米。仅磨制和抛光就用了近7 年的时间。它的精确度非常高,误差不超过2.5 ×10↑-6 厘米。此后大口径的光学望远镜不断出现,到1978年,世界上共有23架口径为2.0-6.0 的望远镜。光学望远镜为天文探测做出了重要的贡献。60年代初发现的类星体就是用光学望远镜首先观测到的。目前,西欧8 国正在智利建造一座超大规模的天文望远镜。它由4 个直径7.8 的反射器阵列构成,其聚光能力相当于直径15.6的反射镜,预算投资达2.35亿美元。它的建成将使号称目前世界最大、重达42吨的原苏联凯克望远镜相形见绌。人们期待用它获得更多的新发现。

  光学望远镜有很大局限性,因为它只能接收天体辐射的可见光,其他多种波段的辐射都不能接收。射电望远镜的发明,使人们增添了新的宇宙探测手段,从而开始认识到了银河系空间星际尘埃遮蔽的广阔世界。射电天文学的开创者是美国的央斯基(1905-1950)。他首先发现了来自银河系中心方向的射电辐射。美国天文学家雷伯(1911-  )于1937年制成了世界上第一台射电望远镜,证实了央斯基关于射电波来自人马座恒星云的发现,还发现了另外一些射电源。第二次世界大战期间,英国的军用雷达接收到了太阳发出的强烈的无线电辐射。从此雷达技术被用于宇宙观测,拉开了射电天文学发展的序幕。用射电望远镜探测天体,不受天气影响,也不受宇宙尘埃的遮掩。70年代,原西德建成直径100 的射电望远镜,可以在各个波段探测到极微弱的天体无线电波。由于在微波、红外、紫外、X 射线和r 射线等区域中的电磁波会被大气各种成分严重吸收,所以地球上的仪器很难接收到。50年代末以来,随着宇航技术、电子计算机等技术的进步,人类已能冲出大气圈,发展了红外天文学、紫外天文学、X 射线天文学和γ射线天文学。天文学进入了全波天文学时期。射电望远镜发明以来,人们用它发现了3 万多个射电源,观测到100 亿光年远的星系;60年代后天文学的一些重大发现,大多都是它的功绩。

  空间技术的应用也是当代天文探测的重大进展。自1959年以来,原苏联、美国等国多次发射了月球探测器和宇宙飞船,对月球、行星进行探测。

  美国的" 阿波罗" 飞船于19697 月首次登上月球。在6 次登月中,采集了许多月球土壤、岩石的标本。1977年,美国发射了" 旅行者1 " " 旅行者2" ,开始了对太阳系外空间的探测和对" 宇宙人" 的寻找。这些探索活动获得了大量宝贵资料。1976年,美国的两艘" 海盗号" 飞船在火星上软着陆,对其大气层、土壤进行了分析,没有发现生命存在的迹象。1986" 旅行者2 " 飞掠过天王星,发现它有明亮的辉光并至少有15颗卫星。

  将宇宙探测设备与人造卫星结合,可以摆脱地球大气的干扰。这是宇宙探测技术的一个重大进步。1983年,美国、英国、荷兰合作研制发射了世界上第一颗红外天文卫星。卫星进入高度为900 公里的太阳同步极地轨道。它在10个月的工作中,共发现245839个红外源。这些红外源属于银河系恒星和河外星系,或与星系介质有关。1990年,美国" 发现号" 航天飞机将目前世界上最复杂的哈勃空间望远镜送上太空轨道。它长13.1,重11600 公斤,耗资15亿美元。它上面安装了直径2.4 的主体镜和直径0.3 的次级镜,还有行星摄影机、暗淡天体摄像机、暗淡天体摄谱仪等先进仪器。哈勃望远镜具有超敏感的探测力,其能力相当于从华盛顿观察到1.6 万公里外的悉尼的一只萤火虫。它能够探测出比地面望远镜可看到的天体暗淡25-50 倍的天体,就像是在地球上看清月球上2 节手电筒的闪光。它的观测距离可达150 亿光年,清晰度比目前地面望远镜高10多倍。哈勃望远镜的发射运行,将有助于人类揭开宇宙的许多奥秘。

  (2)当代重大天文发现

  本世纪60年代以来,由于宇宙探测技术的不断发展,天文学取得了辉煌的成果,人们相继发现了脉冲星、类星体、3K微波背景辐射和星际有机分子谱线、γ射线爆发、X 射线爆发、超新星SN1987A 爆发等。

  早在30年代,科学家从理论上预言:存在一种致密的中子星。1967年,英国天文学家休伊什(1924-)和他的学生贝尔小姐用一架灵敏的射电望远镜观测星际闪烁。经过1 个月的观测记录,贝尔发现在3.7 波长上有一组起伏极为强烈、似乎呈周期性出现的信号。开始休伊什以为是摩托车电火花干扰所致。但其后3个月之中,这组信号反复重现。休伊什感到有必要深入探测。他们用另一台性能更好的大型射电望远镜,又探测到了奇妙的规则脉冲。他们判断信号来自太阳系之外。一年后,科学家们普遍认为,发现的规则脉冲射电源(脉冲星)就是自转的中子星。休伊什因这一发现荣获1974年诺贝尔物理学奖。至今,人们已经发现了400 多颗脉冲星。

  1960年,美国天文学家桑德奇(1926-  )等人发现,射电源3C-48 的位置上是一个亮度为16等的蓝星。它的光谱线很不寻常。不久在另一个射电源3C-273的位置上,天文学家又发现了一颗13等的蓝星。它的光谱类似于3C-48.天文学家把这种类似恒星的奇特天体命名为类星体。类星体的红移很大。按照哈勃定律,它们应当是距我们百亿光年的遥远天体。它们是极强的射电源,辐射能量相当于1000个银河系的能量。但奇怪的是其直径很小,不超过几光年。如此小的体积发射出如此巨大的能量,这是现有的物理知识无法解释的。到80年代初,人们记录到的类星体已超过2000个。天文学家提出许多不同模型来说明类星体的物理机制,但尚未取得公认的结果。对类星体的研究,可能引起天文学以及物理学的重大突破。

  3K微波背景辐射是40年代末大爆炸宇宙说的一个预言。1964年,美国贝尔实验室为了改进与通信卫星的联系,建立了一套新型天线接收系统。它的定向灵敏度超过了当时所有的同类型射电望远镜。在将近一年的时间里,彭齐亚斯(1933-)和威尔逊(1936-)在波长 7.35厘米上发现了各向同性的、不随季节变化的背景辐射;它是相当于3.5K的黑体辐射。他们与普林斯顿大学的迪克(1916-  )深入讨论后,认为所发现的背景辐射是早期宇宙赤热火球的暗淡余光。后来,在0.5 毫米70厘米波段内许多波长上探到的背景辐射的强度随波长的分布,完全符合理论推算出来的温度为2.7K时的黑体谱曲线。一般称之为3K微波背景辐射。它的发现,是支持大爆炸宇宙说的一个重要事实。由于这一发现,彭齐亚斯和威尔逊荣获1978年的诺贝尔物理奖。

  星际有机分子的发现也是60年代天文学四大发现之一。1937年,人们在星际物质中发现了甲川(CH)和甲川离子(CH+)。1940年,又发现了氰基。1954年,美国物理学家汤斯(1915-  )提出用微波谱线寻找星际羟基(OH)。1957年,汤斯又列出17种可能观测到的星际分子。寻找星际羟基并非一帆风顺。直到1963年,汤斯等人设计了一个高灵敏度的接收机并使用更好的望远镜,才获得成功。当天便在仙后座A 观测到第一条星际分子的微波谱线,后来又在其他星云中陆续找到数十个羟基源。1968年,人们又在银河系中心区的星云中发现了氨(NH3)和水。1969年,发现了星际有机分子甲醛(HCHO)。这些发现激发了后继者寻找和研究星际分子的热情,也促进了毫米波射电天文技术的飞速发展。分子天体物理学开始形成了,并取得了未曾料想的惊异成果。70年代,人们接二连三地在宇宙中找到形形色色的有机分子,包括许多地球上从未见过的奇异分子,同时观测到被称为天体微波激射源的奇特的分子辐射,以及分子云剧烈运动形成的喷流。这些结果对已有的物理、化学、天文学提出了挑战。近年来,分子天体物理学方兴未艾。

  到80年代末,已发现的星际分子近100 种。分子天体物理学的发展为研究宇宙的化学组成和宇宙演化以及宇宙生命起源都有十分重要的意义。

  70年代在天文学上又有重大发现。1973年,克莱比塞得和斯特朗等在分析卫星上γ射线探测器的观测资料时,发现了宇宙γ射线源短暂而猛烈的爆发。r 射线爆发的重要特征之一是辐射变化迅速、剧烈。它的发现当时轰动了天体物理学界。1975年,布什金娜等人又发现了X 射线爆发,并观察到了它的一些特征。对于γ射线爆发和X 射线爆发,科学家们正在深入探讨它的本质和内在机制。70年代末,美国、意大利发现了一个光谱既有大红移又有大蓝移的奇异天体SS433.它的异乎寻常的特征引起了天体物理学家的极大兴趣。

  1987年,在美国从事天体化学研究的中国科技大学学生唐明(1956-  )

  和另外两名美国学者一起,从60年代降落在肯塔基州的一块原始陨石中发现,石中有两种碳化硅同位素与太阳系中的碳化硅同位素不同,并将它们从陨石中分离出来。此后科学家研究认为,这些碳化硅是在一些富碳的恒星内部产生的,比太阳系46亿年的年龄更古老。这一发现对深入了解恒星循环及太阳系的形成具有极重要的意义。

  同在1987年,多伦多大学的希尔顿在河外星系大麦哲伦星云中发现了一颗新爆发的超新星,后被命名为SN1987A.天文学家用80年代的研究手段对它变化全过程进行了全波段观测,经过分析认为,它的前身可能是蓝超巨星。

  此外,意大利、美国、日本、原苏联的观测站都测到了来自SN1987A 的中微子信号。这对超新星物理、致密天体以及宇宙演化前途的研究都有重大意义。

  1989年,科学家观测到一颗脉冲星诞生,认为它是SN1987A 爆发后塌陷而成的。

  1916年,爱因斯坦曾预言过引力波的存在。直到1969年,韦伯才声称探测到了来自银河系中的引力波。但由于未得到其他引力波实验室探测结果的支持,这一发现未被公认。多年探测的经验表明,用韦伯型天线直接探测引力波是不成功的。1973年,约瑟夫.泰勒和罗素.胡尔斯另辟蹊径,提出用脉冲双星的轨道参数来探测引力波。经过几年连续观测,1978年,泰勒等人发现射电脉冲双星PSR1913-16的公转周期在变快,周期变化率与广义相对论的理论预言基本相符。这是引力辐射存在的一个重要的间接证据。泰勒与胡尔斯因这一成就获得1993年诺贝尔物理奖。目前,直接探测引力波的研究工作还在进行。

  2.天体演化理论和宇宙学的发展

  天体演化理论主要研究太阳、太阳系、恒星、星系等天体的演化过程。

  当代天体演化理论的发展,使人们对各种天体的演化图景作出比较完整的描述。40年代末期以来,宇宙学也有很大发展,建立了几种不同的宇宙模型。

  (1)天体演化理论

  对太阳的研究在本世纪上半叶已取得不少成果。1938年,美籍德国人贝特(1906-  )和德国的冯.魏扎克(1912-)分别指出:太阳的巨大能量是由其内部的氢核聚变成氦核时产生的。这一理论早已得到了确认。进入当代以来,对太阳的研究又取得新进展。1960年,人们认识到日冕在连续不断地向外膨胀,在此过程中产生的" 太阳风" (带电粒子流)以每秒300-600 公里的速度扫过地球,引起地球上的极光和地磁扰动。70年代,美国的弗里德曼(1916-  )等人拍摄到了太阳的X 射线照片,证实了关于太阳活动区可能发出X 射线的猜想。中国于1984年研制出太阳磁场望远镜。1987年,用这架望远镜在世界上首次获得两维实时太阳色球层活动区和耀斑速度场的观测资料;1988年,又用它观测到位于日面中心附近的大黑子群。这些黑子群面积有84亿平方公里,约占太阳可见表面的1.6%。

  当代恒星演化理论是在认识到热核反应是恒星能源之后逐步建立起来的。50年代,美国人史瓦西(1912-  )把恒星能源和恒星结构与演化的进程结合起来,大致描绘出恒星一生的发展史。现在人们已经知道,恒星的前身(星胚)是由弥漫稀薄的星际物质通过引力塌缩凝聚成的密度较大的气体和尘埃土。恒星的星前阶段只有几百万年,然后就进入几万年到几万亿年的主星序阶段。太阳现在正处于主星序中期,已有50亿年的历史。恒星演化的末期将变成三类天体:白矮星、中子星、" 黑洞".在恒星核能耗尽后,其质量小于1.44个太阳质量的,就成为白矮星;其质量在1.44-2个太阳质量之间的,成为中子星;超过2 个太阳质量的,则可能成为" 黑洞".最早被观测到的白矮星,是1862年发现的天狼星的伴星。到本世纪80年代初,观测到的白矮星已有1000多颗。中子星的存在已于60年代得到确认。孤立的黑洞难以观测到,因此人们着重从双星体系中寻找黑洞。天鹅座X-1被认为可能是一个黑洞,1978年,美国的天文卫星向地面发回了它的照片,但尚不能确认它就是黑洞。1984年,天文学家发现质量是为太阳8-12倍的X 射线源LMCx-3可能是一个黑洞。此外,人们还发现了几个可能是黑洞的天体。

  但这些发现尚未被最后证实。1974年,霍金(1942-  )提出,黑洞也会向外发射粒子,甚至会产生猛烈的爆炸。

  (2)当代宇宙学

  1917年,爱因斯坦提出了有限无边的宇宙模型。以后,有人提出了另外一些宇宙模型。1929年,哈勃(1889-1953)确定了星系红移和距离之间的线性关系(即哈勃定律)。这一定律成为当代宇宙学发展的基础。

  当代宇宙学的形成以宇宙大爆炸理论的提出为标志。1948年,美国物理学家伽莫夫(1904-1968)等人把核物理学的知识与宇宙膨胀理论结合起来,提出了大爆炸理论,并用它说明化学元素的起源。大爆炸理论认为,宇宙开始于高温、高密度的" 原始火球" ,球内充满辐射和基本粒子,基本粒子发生核反应是爆炸的起因。火球爆炸后向外膨胀,辐射温度和物质密度急剧下降,核反应停止。这期间所产生的各种元素就形成了今天宇宙中的各种物质。

  在膨胀过程中,辐射物质逐渐凝聚成星云,进而形成各种恒星体系,成为今天的宇宙。伽莫夫还预言,由于大爆炸后宇宙有残余的辐射遗留下来,因而其背景辐射应为绝对温度几度。大爆炸理论在元素形成和星系演化上遇到一些困难,因此很长时间沉寂无闻。1965年,3K微波背景辐射的发现,使大爆炸理论东山再起。由于探测到的背景辐与伽莫夫的预言基本一致,所以这一发现为大爆炸宇宙理论提供了有力的证据。

  大爆炸理论能够较好地解释许多重要的观测事实:①星系的退行,即遥远的星系均以很高的速度在彼此退行,并符合哈勃定律;②宇宙时标,即用各种独立的方法对各种不同天体测定的时标均在200 亿年以内,这与大爆炸理论推断的宇宙演化年龄相一致;③宇宙中30%的氦丰度,如此多的氦是在宇宙演化早期高温条件下产生的;④宇宙背景辐射。现在大爆炸理论被多数科学家接受,称之为"标准宇宙模型".必须指出,大爆炸理论的立论基础是星系的光谱红移代表星系离我们而去的退行。但也有人提出" 非速度红移" 的观点。所以宇宙大爆炸理论实际上只是诸多宇宙演化假说中的一种。而且它还有视界困难、磁单极困难等许多问题尚不能回答。

  80年代以来,宇宙学又有新的发展。标准宇宙模型对于0 秒到1 100 秒宇宙演化的极早期无法说明。新理论则着重探讨宇宙极早期的演化。1981年,美国的古思提出了" 暴涨宇宙论".后来原苏联物理学家林德等人对它加以修正改进。根据暴涨宇宙理论,宇宙在10↑-36秒时刻处于暴涨期。这时没有粒子,没有辐射,只有暴涨(以指数形式快速膨胀)着的高度对称的真空。

  10↑-36秒一过,暴涨期结束,真空发生相变,宇宙出现不对称,相变中放出的能量转化为辐射和粒子。在10↑-30秒后,暴涨宇宙理论与大爆炸理论对宇宙的描述完全一致。暴涨理论还初步解释了诸如宇宙为何是平直的等大爆炸理论所不能回答的几个问题。1983年,英国的霍金等人提出了量子宇宙学。它认为宇宙起源于一个没有时空的物态。所以它讨论的是宇宙在0 秒时刻发生的事情(精确地说是0-10↑-44秒中发生的事情)。量子宇宙学对宇宙大爆炸发生的时刻及大爆炸前的状态等问题作了尝试性的回答。暴涨宇宙理论和量子宇宙学填补了宇宙在0 秒到0.01秒间如何演化的理论空白,弥补了标准宇宙模型的不足。但它们毕竟还远不如标宇宙模型成熟,得到的观测证据还不充分,许多问题有待于进一步探讨。

摘自世界全史百卷本第097卷世界当代科学技术史

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