天文,大家可能感觉既熟悉又陌生
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天文,大家可能感觉既熟悉又陌生

2020-07-30 11:09 主页 来源:未知
天文,大家可能感觉既熟悉又陌生



提起天文,大家可能感觉既熟悉又陌生。每个人都可以仰头看星星看天空,但天文学究竟是什么呢?
 
我与陌生人聊天,跟他们谈起我是做天文的时候,得到的反应是五花八门的。有的人会跟我聊天气,说你们天气预报怎么不准呢?有的人会跟我说,你知不知道外星人、UFO是怎么回事?还有人会跟我聊星座……
 
其实这些都不是我们平时所说的天文研究。
 
靠谱一点的,会跟我提到太阳或者星星之类。当然,还有一类非常可爱的天文爱好者,他们对我们专业会更了解一些。
 
他们有时候会亲自去做一些天体拍摄,这些照片把一些平时看不到的美景带到我们面前,非常令人感动。
 
 
 
天文学家,聆听宇宙的故事
 
不过即使是这些美丽的照片,和我平时接触到的天文研究,也还是有点差距的。我们究竟是在做什么呢?
 
其实天文真正让我心潮澎湃的,并不是这些美丽的照片,而是这些照片背后呈现出来的故事,以及我们如何去破译这些故事的过程。
 
其实我一开始并不是做天文的,我是在研究生的时候才转入天文专业的。
 
那个时候,因为要准备一个学期报告,就开始系统地读一些文献,然后就惊异地发现,“哇,天文学家怎么对我们的宇宙、对恒星、星系知道的这么多!”
 
比如说,我们都知道宇宙是膨胀的,可是天文学家居然知道这个膨胀是加速进行的,也就是说,它膨胀得越来越快。
 
而且这些结论还不是胡说,它是有事实有根据,有一定逻辑关系的。而且,这样子的逻辑推理我读起来也能理解,觉得它合情合理。当时,这个对我震撼非常大。
 
我发现宇宙好像一本书,以前我只看到封面美丽的图片,现在我开始读里面的内容了。慢慢的,当我看到这些美丽天体的照片的时候,我不仅仅只是惊叹:“哇,好漂亮,太震撼了”,而是开始读里面的内容。
 
比如说,有的星系它是有结构的,像有的星系中心有雪茄一样的棒旋结构,有的有螺旋一样的结构;而有的星系是没有结构的。碰巧这些没有结构的星系,它的颜色看上去更红一点,而那些在漩涡里面的星系,感觉更蓝一些。
 
 
 
天文学家就是通过研究这些天体的模样、形状、大小、颜色,以及它发出来的各种各样的光谱,来推测、聆听它们给我们讲的故事。
 
比如说宇宙是怎么来的,它将要演化到什么状态?我们现在这个状态的银河系是怎么来的?我们的太阳又是怎么出现的?
 
我们的太阳最后会有一个什么样的命运,这样的命运对我们地球是一种什么样的影响?还有没有像地球这样的行星等等这样子的故事。
 
我给大家举一个例子,看我们怎么去阅读我们的宇宙。大家都知道我们生活在银河系里,对吧?那么有多少人亲眼见过银河系?
 
好像有一些,但不是特别多。很遗憾,现在很多人生活在城市里面,城市的灯光太亮了,银河系表面亮度是很低的,所以在城市很亮的情况下就不太容易见到银河了。
 
这张图片拍摄的是一个比较震撼的银河系照片,它拍摄于美国北部的一个国家公园里。
 
 
 
如果你把这个银河系照片的样子拉直,然后把中间很亮的地方放在中心的话,你可以看到,我们的银河系相当于一个全景图,它看上去像一个盘子的形状,然后中间会更亮更厚一些。
 
 
 
我问大家两个问题。一个是你觉得在银河系里面,太阳大概在什么位置?还有,如果我们从上往下看银河系的话,这个银河是什么样子?
 
其实回答这样的问题,恰恰就是天文学家在银河系领域比较热衷的研究方向。
 
称称银河有多重
 
我们怎么做呢?我们通过测量不同恒星离地球的距离,以及它们的运动状态,通过建立某种模型来推测、重新构建银河的样子。
 
假如我们从上往下看银河的话,银河系的中心有一个雪茄样的棒旋结构,颜色偏红,因为它有很多年老的恒星。
 
在这之外,有若干的旋臂,到底是三条、四条还是五条六条,是现在大家争论的焦点之一。
 
 
 
太阳大概在这幅图靠下的地方,距离银河系中心大概有27000光年的样子。
 
我们还知道,银河系里面有很多像太阳的恒星,它们的质量有的比太阳大很多,有的比太阳小很多。
 
如果我们把这些恒星的质量加起来,可以得出,银河系的质量大概是五百亿个太阳质量这么大。
 
我觉得这是一个很酷的数字,为什么呢?感觉我们就像上帝一样,拿着一把秤,称银河系到底有多重。
 
实际上更有意思的是,天文学家发现,银河系里的总质量应该远远比所有恒星加起来的质量要大得多。
 
有多大呢?应该至少有6000亿个太阳质量这么大。
 
天文学家为什么会这样说?是因为银河系必须有这么大的质量,才能拽着银河系里的某些恒星高速转动。
 
比如说,太阳现在也以每秒220公里的速度绕着银河系转动,这个数字大家可以静心想一下是什么意思。
 
就是说,我们现在坐在这里似乎没有动,但如果在宇宙的框架下来看,我们实际上是动得非常快的。
 
假设我们不算地球的公转、自转,不算银河系自身的运动,仅仅算太阳绕着银河系的转动,我们每秒就已经飞出去了220公里了。
 
这么高的速度就要求银河系里的质量,一定要达到一定的量,否则太阳就飞出银河系了。
 
太阳没有飞出银河系,表示银河系里一定有某种质量在拉着银河系里的恒星在转。那么这些多余的质量是什么?
 
天文学家们不知道,只知道是有这么个东西,因为看不见它,所以天文学家叫它暗物质。
 
我们知道,银河系是有邻居的,它并不是孤零零的一个星系。它大概处在一个叫本星系群的群体里面。
 
这个群体大概有30到50个星系左右,里面大部分的星系个体都比银河系矮小。但是有一个大的邻居。
 
它就是下图的仙女座大星云(M31),尺寸比银河系还要大,它距离银河系大概有两百五十万光年的样子。
 
 
 
星系与星系相撞
 
这是一个特别有意思的故事,关于仙女座大星云。有研究发现,银河系和仙女座大星云,在朝着对方以非常快的速度靠近。
 
这说明在某个未来,大约四十五亿年后的未来,银河系将要撞上仙女座大星云。
 
其实宇宙里面星系和星系之间碰撞是经常发生的事情。比如下图是离我们比较近的星系和星系碰撞的漂亮图片。
 
 
 
我结婚的时候甚至用了其中一个图片作为邀请卡背景,你看两个星系碰出了一个心的形状,这是很常见的。
 
但银河系毕竟是我们的家园,如果银河系要和M31碰撞的话,太阳会怎么样?太阳会撞上什么东西,会灰飞烟灭吗?
 
有一个好消息是,这种事情是不会发生的。
 
为什么呢?因为在宇宙中,星系和星系之间的距离,相比于它们自身的尺寸来说,不是那么大,所以星系和星系撞在一起的几率还是挺大的。
 
但是,星系里面的恒星其实很小,恒星和恒星之间的距离,相比于它们自身尺寸来说,其实要大很多很多。
 
所以,不管多少个星系撞在一起,一个太阳撞上另一个太阳的几率是非常小的。
 
这是不是说我们就OK了呢?好像也不是。
 
天文学家模拟了银河系和M31撞到一起的状况。黄色的点表示这两个星系中间的恒星,蓝色的点表示这两个星系中的气体。
 
你会发现,气体和恒星在这样的碰撞过程中,他们的命运是不一样的。
 
恒星的命运是什么呢?他们在这种碰撞中会丢失角动量,然后会更快地聚集到星系中心去。
 
也就是说,太阳在这样的碰撞中,很可能会急速地掉到星系更靠近中心的地方。
 
一般来说,星系中心的高能辐射会很强,如果太阳掉进去了,恐怕人类是不好承受的。假如人类在这场碰撞中活下来了,恐怕也没有几年好日子过,因为太阳也是有寿命的。
 
大概在50亿年以后,也就是这个碰撞发生大概几亿年以后,太阳里面的氢就烧光了。
 
烧光以后会进入它的第二个阶段,我们叫做红巨星的阶段,它开始烧里面的氦,它的体积会变得非常的巨大。
 
 
 
也就是说,在这个图片里,本来在左下角的这个小黄点,会在红巨星阶段变成一个非常非常大的大红球。
 
这个大红球,基本上是两倍于现在太阳到地球之间的距离,会完全把地球给吞噬掉,到那时候,地球也就没有了。
 
我们可以从银河系的很多图片来解读它们的故事,我们不仅看这些照片本身,我们还能够通过某种物理规律,看到它的过去、预测它的未来,这是我觉得天文学特别有意思、特别有魅力的地方。
 
天文学让我心潮澎湃的另外一个地方在于,我们能理解、阅读的宇宙比我们想象的要大很多。
 
 
 
上图是太阳系大家族,看上去成员很多,其乐融融。如果真的飞到上面去的话,你会发现太阳系真是太空旷了。不仅仅太阳系,整个宇宙都是这样子的。
 
下图显示的是土星。这张照片最特别的地方不在于土星本身,而在于它左上角的这个小点点。有没有人可以猜到这个小点是什么东西?
 
 
 
有人说木星,有人说慧星,实际上它是我们的地球,也就是我们的家园。看不清这个小点,正说明我们的宇宙是非常非常空旷的。
 
 
 
这是太阳系在不同尺度下不断放大的一个放大图。在最小的图里,地球轨道是中间那个绿色的小圆圈。
 
如果把它放到整个太阳系尺度上的话,它是看不见的。就是说,太阳到地球之间的距离,在整个太阳系的尺度上,是看不见的。
 
再打个比方,我们现在用最快的火箭把人送出去,以直线距离冲出太阳系,用我们中华民族上下五千年的时间,也只能飞到太阳系不到1/4的地方。
 
所以说,整个空间真的非常大。即使你飞出了太阳系,到距离我们最近的一颗恒星,也还要再飞三倍太阳系这么大的空间。
 
我们知道,银河系有几千亿颗恒星,飞到离我们最近的恒星都这么费劲,想要飞出银河系就更遥远了。
 
这么一想,你是不是觉得很灰心,觉得好像没什么意思?实际上不要太灰心,因为天文学家有一种神器叫什么?望远镜。
 
虽然实际的星际旅行不是很可能实现,但借助于天文望远镜,我们可以实现这样的星际旅行。我给大家看两段视频。
 
第一个视频,假设我们坐在这样的宇宙飞船上,飞船以大概每秒几十光年的速度,从太阳往外飞去。
 
我们可以看到银河系里很多漂亮的星云。这是有名的鹰状星云。你还可以看到很多恒星,还有气体。这些灰黑的地方,实际上是尘埃,你把它想象成pm2.5就好了,实际上比那个还要更稀薄。
 
我们可以飞到太阳上面去,可以看到银河系的中心,有一个我们叫核球的地方。再飞出银河,我们看到我们的邻居仙女座大星云,它旁边的一颗星系,我们叫M33。
 
阅读宇宙,阅读自己
 
下一个视频,是假设我们坐一个飞得更快的宇宙飞船,这个宇宙飞船以大概每秒几兆光年的速度往外飞行。
 
我们会看到一个什么样的图景?
 
值得指出的是,这个视频里所有的星系,它的位置、它的距离、它的倾角以及它的颜色,都是实际观测的,真实的。所以,假如我们真有这样一个宇宙飞船的话,我们看到的宇宙就是这个样子的。
 
当然,由于望远镜本身的限制和我们身处银河系的一些限制,会有一些和实际情况不同的地方。
 
比如,你可能会注意到,我们越往远处走,看到的星系越红。其实这是一种选择效应。
 
就是说,我们越往外走,那些红的星系因为很亮才能被望远镜看到,那些更暗的蓝色星系我们看不到,所以就没法在图片里展示。
 
即使这样酷的图片,也只包含了大概60万个星系,我们只看到整个宇宙1/10不到的空间。所以,天文学家一直想建造更强大的望远镜。
 
天文学里的望远镜有很多种类,几乎覆盖了整个电磁波的所有波长。
 
大家可能知道,中国的FAST望远镜,是在贵州建立的500米的世界上口径最大的望远镜,用来探测星系里面的中性氢气体还有脉冲信号。
 
 
 
我主要研究的,是电磁波段里光学和红外这一部分。
 
在云南丽江高美古观测台,有一个2.4米的望远镜,这是我们中国最大的普通用途的望远镜。我一直致力在那上面配备一个光谱仪。
 
也正是通过这个项目,我深刻地体会到天文学实际上是一个很丰富的科学,它不仅仅是关于科学,它还包括工程技术管理等等很多东西。
 
比如在实施这个项目的过程中,就要求我们在3000多米的高美古高原上爬上爬下,细致的时候我们需要关注这么小的一个小螺丝,或者一根非常纤细的光纤;粗犷的时候,我们需要搬运一个几吨重的镜面、架子,等等。
 
正是通过这样的项目,让我慢慢地意识到我真正的兴趣所在,我发现我不仅仅对科学感兴趣,也对这种有粗有细的工程技术感兴趣。
 
可能也正是因为天文学的丰富性,让我对天文这么着迷。
 
我很庆幸找到天文学作为我的职业。它每天都在带给我新的挑战,让我不断地开拓视野,沉淀自己的心灵。