這10大天文學突破 你知道幾個？

「同一天空下」系列

　　科學的進步有兩種方式：

　　第一種是知識和數據的日積月累。在天文學領域有很多這樣的例子，比如精確地測量恆星的距離、質量、光度、溫度和光譜就是一個漫長而艱苦的積累過程。

　　第二種是”突破“，我們對宇宙的認知在相對較短的時間內發生了戲劇性的變化，這些都是重大的範式轉移。例如，在15世紀的時候，我們認為地球便是宇宙的中心。但到了17世紀，太陽成了宇宙的中心（儘管這個想法也沒能維持多久）。

　　在這篇文章中，我們將把關注點放在20世紀天文學上的那些重大突破。當你看完這篇文章後，你很快就會發現上個世紀的天文學突破比以往更多，而且比之前更加重大。一個有趣的問題是，在本世紀，我們是否也會經歷同樣數量的突破性發現？天文學會加快還是放慢它向前邁進的腳步？

01

　　銀河系是宇宙中唯一的星系嗎？至少在100年前，這個答案是肯定的。但到了1923年，哈勃（Edwin Hubble）使用胡克望遠鏡發現了M31（仙女座星系）中的一顆造父變星，一切都改變了。基於另一名天文學家勒維特（Henrietta Leavitt）的工作，哈勃得出了一個驚人的結論：M31距離我們90萬光年，遠在銀河系之外！自此之後，我們才意識到原來銀河系並非獨一無二，宇宙中包含了大量的星系，這是天文學突破和範式轉移的一個絕妙例子。今天的天文觀測告訴我們，宇宙中的星系數量並不是幾萬、幾十億或幾千億，而是高達兩兆個！從一到兆，這是多麽巨大的變化啊！

02

　　愛因斯坦曾一度認為，宇宙是靜止的。但事實真的如此嗎？

　　1929年，哈勃運用胡克望遠鏡共測量了46個星系的距離和速度。他將這些數據繪製成圖像，結果顯示：星系的退行速度與距離成正比，且斜率為500km/s/Mpc（這個值被稱為哈勃常數）。換句話說，哈勃發現了宇宙正在膨脹，而且距離地球越遠的星系，遠離我們的速度也就越快！這是多麽驚人的發現啊，而且一個膨脹的宇宙也暗示著在遙遠的過去，宇宙有一個開端。

　　哈勃常數非常重要，它可以被用來計算宇宙的年齡。最初的估計偏離得有些離譜——宇宙的年齡比地球還要小！但隨著技術的進步，宇宙學家得到了越來越精確的數值。現在，哈勃常數被確定在70km/s/Mpc左右，宇宙的年齡為138億年。（事實上，在過去幾年中，宇宙學家發現不同的測量方法得到的哈勃常數並不一致！詳見：《宇宙學危機：無法統一的哈勃常數！》）

　　到了1998年，天文學家發現宇宙不僅在膨脹，而且是在加速膨脹，導致加速膨脹的幕後推手被稱為”暗能量“，但沒有人知道暗能量的真面目。

03

　　上個世紀初，我們對恆星的認識依然是非常匱乏的。當時，天文學家意識到恆星都很老，它們的年齡甚至超過了10億年，在它們生命周期的大部分時間內都是非常明亮的。但天文學家並不知道，恆星為何能夠產生如此巨大的能量。到了1905年，愛因斯坦的狹義相對論和質能等價理論（E = mc）觸發了一場革命。

　　愛丁頓（Arthur Eddington）爵士是最早認識到恆星是全部由氣體組成的人之一，他還意識到，恆星的穩定性是向內的引力與向外的氣體和異塵餘生產生的壓力相抗衡的結果。愛丁頓據此推導出了恆星的質量-光度關係，這對於理解恆星演化至關重要。

　　1926年，愛丁頓指出，太陽中心的氣體密度是水的密度的100多倍，這個區域的溫度超過10開爾文。恆星內部的溫度是如此之高，核反應的速率將達到不可忽略的程度。然而，到底是哪種形式的質量被摧毀並轉化成能量呢？

　　在1920年，阿斯頓（Francis Aston）正在使用自己發明的質譜儀測量一些原子和同位素的質量。他發現，四個氫原子比一個氦原子要重。而其他科學家的發現表明氫和氦是組成恆星的主要成分。

　　將這些因素結合起來解決了恆星的能量生成問題，接下來必須有人確切地證明這個過程是如何進行的。這個人就是貝特（Hans Bethe）。1939年，貝特提出了碳氮氧（CNO）循環，之後他又提出了質子-質子循環。這些過程都極其緩慢，因而恆星會在主序階段停留漫長的時間，緩慢且溫和地將氫轉化為氦。在此期間，它們的光度變化非常微弱。

　　恆星能量來源的機制最終引導天文學家從總體上解決了恆星演化問題，這個過程整整花了35年時間。

04

　　在恆星能量機制被搞清楚之前，天文學家意識到絕大多數恆星本質上只有兩種類型，即所謂的”矮星“和”巨星“。

　　1911年，赫茨普龍（Ejnar Hertzsprung）繪製了恆星的視星等與光譜類型的關係，這些恆星來自昴星團與畢宿星團等疏散星團。1914年，羅素（ Henry Norris Russell）充分利用最新的視差數據，繪製了恆星的絕對星等與光譜類型的關係。赫茨普龍和羅素繪製的圖表如今被稱為赫茨普龍-羅素圖，簡稱赫羅圖。

　　赫茨普龍和羅素都發現存在兩種主要的恆星類型：一種是更為常見的矮星，這些太陽大小的恆星佔據了圖表中的“主序帶”，被稱為主序星，主序星的光度大約與溫度的6.7次方成正比；另一種是不那麽常見的巨星，它們的絕對星等約為0。

　　隨著時間的推移，更多的恆星類被添加進圖表當中。一種是地球大小的黯淡的白矮星，它們的絕對星等在10到14之間，光譜類型大約是B型和A型。另一種是更為罕見的超巨星，它們是質量最大且最明亮的恆星，絕對星等在-5到-8之間。

05

　　在1900年的時候，人們普遍認為恆星與地球具有相同的組成。從1925年以來，天文學家開始意識到恆星主要由氫和氦組成，這顯然是一個重大的範式轉移。

　　佩恩（Cecelia Payne）是這場科學變革的先鋒。1925年，在她那篇著名的博士論文《恆星大氣》中，佩恩運用了物理學家薩哈（Meghnad Saha）在1920年推導出的方程，將光譜線強度轉換為原子數，並最終提出恆星主要由氫和氦這兩種元素組成。

　　這個領域的第二個重大突破是認識到恆星主要有兩種組成類型：富金屬的第一星族和貧金屬的第二星族。這是巴德（Walter Baade）在1943年發現的。

　　第三個突破是解釋恆星為什麽具有獨特的化學組成，以及這種化學組成如何隨時間變化。有兩項成果推動了這個突破：第一項成果解釋了宇宙大爆炸後氫氦混合物的初始比例為75% : 25%；第二項成果來自於伯比奇夫婦（Margaret Burbidge 和Geoffrey Burbidge）、福勒（William Fowler）和霍伊爾（Fred Hoyle）四人的工作，他們解釋了將氫轉化為氦的核合成過程，並擴展到了碳、氧、矽、硫、氬、鈣直到鐵等重元素的生成；隨後這四位科學家還證明，超新星爆發時的快中子捕獲過程創造了比鐵重的元素，從而將恆星的組成進一步擴展到金、鉑和鈾等元素。

06

　　宇宙中有什麽？太陽、行星、彗星、恆星、銀河系……在上個世紀初，我們所知道就只有這些很普通的天體。但有沒有可能存在一些更加極端的天體？有的。

　　當恆星耗盡自身的燃料時，就會出現奇異的天體。低質量的恆星會演化為地球大小的白矮星，白矮星依靠內部的電子簡並壓與引力相抗衡。1930年，錢德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）計算出了白矮星的質量不會超過1.4個太陽質量。一旦恆星的質量超過這個值，恆星就會進一步坍縮成為中子星。1933年，巴德和茲威基（Fritz Zwicky）預言許多中子星是超新星爆發的產物。到了1967年，伯奈爾（Jocelyn Bell-Burnell）通過射電望遠鏡探測到了第一顆脈衝星的信號（脈衝星是快速旋轉的中子星）。最後，那些質量超過3個太陽質量的恆星將進一步坍縮形成最極端的天體——黑洞。

　　還有一種奇異的存在是類星體。1963年，施密特（Maarten Schmidt）探測到了一個強烈的射電源——類星體3C 273，它的紅移高達0.158，看起來就像是一個視星等為13的明亮恆星以16.6%的光速遠離地球。最後天文學家發現，類星體實際上是星系中央的活動星系核，包含了一個超大質量黑洞，在黑洞的周圍是一個吸積盤，並且會釋放出相對論性噴流。

　　除了類星體外，活動星系核包含了大量的子類，包括低電離星系核、塞弗特星系核、耀變體、射電星系等。

07

　　1964年，彭齊亞斯（Arno Penzias）和威爾遜（Robert Wilson）試圖用喇叭型天線找到從通信衛星上反射回的射電波時，他們接收到了無法解釋的一些噪音。當他們排除了一切可能性後（包括清理了鳥糞和移走了鳥巢），最終發現這是一些理論學家苦苦尋找的宇宙微波背景（CMB）——這是大爆炸遺留下的熱異塵餘生。

　　1949年，霍伊爾做客BBC的時候提到了”大爆炸“一詞，用來描述宇宙有一個開端、且一直在膨脹的想法。當然，霍伊爾本身擁護的是另一個理論——穩恆態理論。穩恆態理論曾是大爆炸理論的競爭理論，但當宇宙微波背景被發現後，它也因此失去了立場。

　　如今，隨著望遠鏡的不斷升級，科學家能夠以更高的精確度測量宇宙微波背景，並可以從中計算出宇宙的年齡、組成、膨脹率等信息。

08

　　宇宙的大部分似乎都是由我們看不見的物質組成的，那些“發光”的可見物質隻佔總量的5%。早在1937年，茲威基就發現了一個奇怪的現象：他研究了後發星系團後發現，星系團中所包含的物質總質量是可見物質質量總和的400倍。

　　到了上世紀70年代，魯賓（Vera Rubin）發現，在距離星系中心越遠的地方，星系的旋轉速度曲線並不會降低。而此前人們都認為，星系的大部分質量都集中在核心區域，星系中物體的旋轉速度應該隨著距離的增加而減慢，就像太陽系中那樣，邊緣物體的旋轉速度比中心天體的慢一些。這個矛盾揭示出，星系中存在缺失的質量，這就是包裹著星系並延伸到星系邊緣以外的暗物質暈。但直到今天，我們仍然不知道暗物質究竟是什麽。

09

　　100年前，我們只知道一個行星系統——我們居住的太陽系。隨著時間推移，一些天文學家認為，某些鄰近恆星的軌跡的輕微搖擺暗示著，在它們周圍應該也有行星的存在。

　　但直到20世紀末（更精確的說是9935天以前），天文學家才確認了第一顆太陽系以外的行星。自那之後，科學家通過不同的手段，確認發現了超過3700顆的系外行星。這些系外行星按照6種質量（大小）和3種溫度被分類為18個類別。

　　除了研究這些系外行星的性質之外，科學家希望他們能夠在這些不同的世界中找到生命可能存在的蛛絲馬跡。

10

　　我們無法“看到”恆星的內部。我們對太陽光球層的視野可以延伸到大約500公里的深度，但相比於太陽大約70萬公里的半徑，我們仍然有很長的路要走。因此，恆星內部一直是理論天文物理學家才能涉足的領域。

　　但過去幾十年裡出現了兩個突破。第一個來自對太陽中微子的探測。1930年，泡利（Wolfgang Pauli ）首次預言了中微子的存在，但等待了25年的時間才被驗證。這是因為中微子幾乎不與物質作用，因此非常難以探測到。

　　在太陽和其他恆星內部的一系列核反應將氫轉化為氦，同時產生中微子。每秒鐘，有數兆的中微子在穿過我們的身體，但我們卻毫無察覺，這是非常令人震驚的事實。戴維斯（Raymond Davis Jr）是第一個敢於嘗試證明太陽中微子存在物理學家，他在霍姆斯特克金礦中建造了一個巨大的中微子探測器。在長達30年的時間裡，他成功的捕捉到了2000個太陽中微子，並因此證明了太陽的能量來源於聚變。

　　第二個突破來自於日震學，這是一門利用太陽表面聲波和聲震蕩來研究太陽內部的物質特性和運動特徵的學科，類似於從地球內部地震波的傳播行為來推測地球內部結構。

　　我們會發現，這些重大突破通常可被分為兩個類別：一種是完全意想不到的發現，另一種是解決了長期以來的困惑。我們完全有理由相信，未來我們將不斷迎來更多重大的突破，因為有那麽多的問題等待著被揭開。我們也相信，那些隱藏在宇宙中的驚人秘密，正等待著被發現。