宇宙穿梭

现代宇宙学的三大基石

哈勃膨胀

  • 哈勃的发现,标志现代宇宙学的确立。
  • 1929年,哈勃在观测时,发现距离越远的星系离开我们的速度越大,即宇宙在膨胀。
  • 推论:如果星系都彼此远去,那在这之前,天体必然会聚集在极小的空间内。

微波背景辐射

  • 1948年,伽莫夫等预言:宇宙大爆炸产生的辐射,由于宇宙的膨胀和冷却,辐射温度约为5K。
  • 美国贝尔实验室的彭齐亚斯和威尔逊为了降低天线的噪声水平,利用天线进行测试,发现天空中始终存在3.5K来自宇宙的辐射。

轻元素的合成

  • 在宇宙中任何天体,包括太阳上,氦元素的含量都是24%左右,远远超过了恒星内部热核反应所能达到的含量。
  • 根据大爆炸宇宙学理论计算出的氦含量符合观测事实。

标准宇宙学模型

  • 宇宙起源于一次热大爆炸。
  • 宇宙中的物质分布在大尺度上是均匀和各向同性的。
  • 目前的宇宙处于膨胀状态。
  • 宇宙时空用罗伯逊-沃尔克度规来描述。

系外行星探测历程

  • 截至2024年2月5日,开普勒望远镜(Kepler Mission)已累计发现并确认3325颗(含K2任务)系外行星。
  • TESS空间望远镜,TESS(Transiting Exoplanet Survey Satellite),于2018年发射,任务是用凌星法进行巡天。截至2024年2月5日,已发现417颗系外行星。
  • 凯克望远镜(Keck Observatory)的HIRES光谱仪,截至2024年2月5日,已经发现了184颗系外行星。
  • COROT空间望远镜,COROT(COnvection ROtation and planetary Transits),使用凌星法探测系外行星。截至2024年2月5日,已经发现35颗系外行星。
  • 截至2024年2月5日,哈勃空间望远镜(Hubble Space Telescope)已经发现了6颗系外行星。最早用直接成像法发现的系外行星之一-北落师门的行星就是它发现的。
  • 斯皮策空间望远镜(Spitzer Space Telescope),可用于研究系外行星在凌星期间的红外辐射。截至2024年2月5日,已发现4颗系外行星。
  • 中科院云南天文台(Yunnan Astronoical Observatory),利用视向速度法,截至2024年2月5日,已发现并确认3颗系外行星。
  • 盖亚天文卫星(Gaia Astrometry Satellite),于2013年发射,用天体测量和凌星法探测系外行星。截至2024年2月5日,已发现3颗系外行星。
  • 中科院国家天文台兴隆站,利用视向速度法,截至2024年2月5日,已发现并确认2颗系外行星,其中一颗被命名为望舒。
  • 詹姆斯-韦布空间望远镜,JWST(James Webb Space Telescope),于2021年发射升空,是哈勃空间望远镜的后续计划,用直接成像法拍摄系外行星,用光谱仪研究凌星现象。截至2024年2月5日,已发现1颗系外行星。

引力透镜

哈勃星系分类法

星系在形态、组成和恒星的运动等方面有很大的差异。哈勃分类法,是目前广泛应用的星系分类法。

  • 椭圆星系:外形呈正圆形或椭圆形,中心亮,边缘渐暗,外围有许多球状星团。按扁度分为E0、E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7八个次型。E0型是圆形星系,E7是最扁的椭圆星系。
  • 透镜状星系:已经用尽或丢失了大部分的星际物质,组成上以老年恒星为主。
  • 旋涡星系:有一个较圆的星系核,从核心延伸出两条或多条旋臂。在S后用a、b、c表示星系核的相对大小及旋臂的展开程度。
  • 棒旋星系:有棒状结构贯穿星系核的旋涡星系。在SB后用a、b、c表示星系核的相对大小及旋臂的展开程度。
  • 不规则星系:没有明显的旋臂或核结构。

引力透镜

  • 当光在星系、星系团或黑洞等大质量天体附近经过时,会像通过凸透镜一样发生弯曲,这种现象称为引力透镜效应。
  • 引力透镜效应是时空在大质量天体附近发生畸变所导致的。造成引力透镜现象的大质量天体,称为前景天体或透镜天体,遥远处作为光源的天体称为背景天体。

引力透镜现象的研究历史

  • 1915年,爱因斯坦的广义相对论预言:当一束光线通过一个大质量物体附近时,因受引力作用会发生偏折。
  • 1919年,爱丁顿首次利用日全食,检验了广义相对论的光线弯曲理论。他提出:在某些条件下单一的光源可以产生多重像。
  • 1936年,爱因斯坦认为:恒星质量的透镜体产生的多重像无法被观测到。
  • 1937年,兹维基提出:用星系作为透镜体,足以产生可以被观测到的多重像。
  • 首次发现:1979年,第一个真正由引力透镜形成的类星体双重像Q0597+561 A和B被发现。

三种不同的引力透镜现象

根据尺度和效果不同,引力透镜通常可分为三种,强、弱和微引力透镜。

强引力透镜

背景天体多为星系,透镜天体为星系团。当背景天体和观测者的连线位于透镜天体中心区域时,此时背景天体的放大率很大,可以形成明显的多重像、环半弧和巨大光弧。

主要研究用途:

  • 测量透镜天体的质量分布情况
  • 测定宇宙学参数
  • 测量暗弱的星系、高红移星系

弱引力透镜

背景天体多为星系,透镜天体为星系团,表现为微弱的拉伸效果。

主要研究用途:

  • 测定星系团的质量分布
  • 测定宇宙学参数

微引力透镜

透镜天体为恒星级天体,主要表现为背景天体的光瞬时增强。

主要研究用途:

  • 搜寻银河系内的冷暗物质
  • 搜寻系外行星的重要手段之一

逃离黑洞

黑洞是宇宙中最神秘的天体之一。在那里,时间和空间都强烈扭曲,它产生的引力场是如此之强,以至于在它的视界之内,包括光在内的所有物质都无法逃脱。

黑洞的类型

黑洞主要有两种:超大质量黑洞和恒星级黑洞。超大质量黑洞可以达到数十亿个太阳质量,存在于大部分星系(包括银河系)的中心。恒星级黑洞是由爆炸的超巨星的核心塌缩而成,它们可能在所有的星系中都十分常见。

霍金曾提出过“原初黑洞”的概念,它们诞生于宇宙初期高温高压的环境中,但是质量很小,至今并没有观测到。

探测黑洞

黑洞无法直接观测,但通过其周围物质的行为可以间接探测黑洞。目前已发现的黑洞都有一个气体尘埃盘围绕在周围,产生高温高热的物质喷流,或者在物质落入黑洞时发出辐射(比如X射线)。

视界

视界,又称为黑洞的事件视界,视界以外的观察者无法利用任何物理方法获得视界以内的任何信息,或者受到视界以内事件的影响。视界是黑洞的最外层边界,在此边界内连光都无法逃脱。