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深度科普:原来天文学研究的是宇宙的历史

北极蚊子 2017-10-24 16:37

随手翻开一本英文词典,天文学(Astronomy)和考古学(Archaeology)都排在词典的前几页(因为它们都是字母A开头)。

而今天要讲的这两个学科,一个算自然科学(天文学,在我国学科门类中属于“理学”),一个算人文科学(考古学,在我国学科门类中属于“历史学”,在国外也有被划分为“人类学”的),两者都历史悠久、源远流长,与人类的文明进程一路同行,从早期人类文明的蹒跚学步,到今天人类文明的硕果累累,天文学和考古学也从无到有,逐渐地发展积累,各种研究成果也不断涌现(例如前不久全世界天文圈的大拿们一起联合搞的大事情——宣布人类首次“看到”了引力波,并终于找到了金子的源头了)。

但是,除此之外,天文学和考古学似乎真的完全扯不到一块去,完全不搭嘎(四声),天文学怎么就会是考古学呢?吃瓜围观的小伙伴们一定认为小编的脑子瓦特了,下边小编就要用事实来回应各位看官啦~各位亲,请自带小板凳赶紧坐好哈~

(那几位满场来回乱窜卖瓜子、花生、矿泉水的,麻烦也赶紧坐下啦,不要挡到后排的观众)

天文学的重要研究工具之一是望远镜,通过望远镜收集遥远天体发出的光线,从而得到天体的光谱、测光或成像信息,再从这些信息推算出遥远天体上的各种物理参数(如质量、体积、温度、磁场等)

450年前的1567年(当时还是我国的明朝,朝廷刚刚下令解除海禁,自郑和下西洋后,100多年过去了,中国商人终于又能自由驾船出海贸易了),位于金牛座的昴星团(又称“七姊妹星团”,距离地球约450光年,因其位于我国古代三垣二十八宿中昴宿的天区位置而得名,现在昴星团的位置属于现代天文学划分的全天88个星座中金牛座的范围内)发出了几缕幽蓝幽蓝的光,经过450年的征途后到达了地球,就成为了人们眼中的“七仙女”,并为此杜撰出各种美丽的传说,但是你知道吗?若非你的视力超乎常人,人们通过肉眼一般只能看到六颗蓝色的星星。

蓝色的疏散星团——昴星团(M45)(Marco Lorenzi)

昴星团(M45)中每颗亮星的希腊名字和离地球的距离(新西兰Spacecentre)

550年前的1467年(此时还是我国明朝的成化年间,日本刚发生了“应仁之乱”,从此日本进入了“战国时代”),我国《诗经·国风·豳风》 中“七月流火,九月授农”提到的“大火星”(指的是现代天文学中天蝎座的心宿二),一如往常地向宇宙的四面八方发出了红彤彤的光线,其中一小缕飞向地球方向的光线经过550年的奔波,在今年(2017年)上半年的某一天,一不小心就撞入了欧洲南方天文台(ESO)的几台名为VLTI的光学望远镜的视野中,并经过VLTI复杂精密的光路后,再次完美呈现心宿二(Antares)这颗“大火星”的闺房密照,这也是人类首次得以窥视到太阳以外的恒星的表面细节,天蝎座的小心脏一不小心就被人看光光了。

心宿二的高分辨表面图像(ESO/K. Ohnaka)

心宿二表面的速度场分布(ESO/K. Ohnaka)

太阳的高分辨率表面图像(NASA/SDO/AIA)

艺术家根据心宿二的高分辨率表面图像而绘制的心宿二想象图

天蝎座的心脏——心宿二(图自网络)

1350年前的667年(此时还是我国的唐朝,皇帝正是武则天的丈夫——唐高宗李治,这年年底,日本第六次派出了遣唐使,前往当时世界上最发达的国家——东土大唐,求取使国家繁荣富强的“真经”),在猎户座大星云(M42)这个质量巨大(约是太阳的10万倍)的弥散气体星云中,新生恒星和光致电离气体发出的光线直接或是经过猎户座大星云的反射,照射向了地球的方向,又过了一千三百五十年,到达了地球,可能正好被某一位爱好深空天体摄影的天文爱好者收入了镜头中,成为他/她的一幅满意的作品。

猎户座和猎户座大星云(位于猎户座腰带3颗星下方不远的那团粉红色云雾状物)

猎户座大星云(M42)(图自牧夫天文论坛,作者onepair)

7500年前,一颗位于现在金牛座的蟹状星云(M1)(表示是梅西耶天体表中的第一号天体)附近的超新星(SN 1054)(表示是1054年爆发的超新星)爆炸了,爆炸时发出的光线经过近6500年的传播,在我国北宋宋仁宗至和元年(1054年)才到达地球并被宋朝的司天监官员杨惟德记录下来,被称为“天关客星”(天关,是我国古代的星名,位于金牛座;客星,是我国古代对天空中新出现的星的统称,主要指新星、超新星和彗星等天文现象),

《宋会要辑稿》记载:“至和元年,晨出东方,守天关,昼见如太白,芒角四出,色赤白。”又经过了近千年,“天关客星”逐渐变成了今天的蟹状星云,中间还藏着一颗脉冲星(PSR 0531+21)(表示是一颗脉冲星,其坐标为赤经5时31分、赤纬21度)哦。

M1蟹状星云(超新星SN 1054的遗迹)

M1蟹状星云的多波段图像

5个波段合成的M1蟹状星云

从5个不同波段观测到的M1蟹状星云的动画

21000年前,位于天鹰座的一对脉冲双星中的一颗(PSR 1913+16)(表示是一颗脉冲星,其坐标为赤经19时13分、赤纬16度)发出了射电辐射,21000年后,PSR 1913+16的射电信号被位于波多黎各的305米口径的阿雷西博射电望远镜接收到,经过对这些信号的分析,发现脉冲星PSR 1913+16的近星点时刻(可以理解为相互绕转的周期)相对于轨道不衰减情形的累计变化量在不断变大,且累计变化量符合广义相对论的预测值,从而在LIGO直接探测到引力波之前,间接证实了引力波的存在。这一次利用脉冲星对引力波的间接证实荣获了1993年的诺贝尔物理学奖。

脉冲星PSR 1913+16轨道近星点时刻相对于轨道不衰减情形的累计变化量(MPG/NRAO)(水平实线是轨道不衰减情形的理论值,黑点是实际测量值, 曲线是广义相对论预测的引力波辐射对累计变化量的影响,可以看出,曲线和实测值吻合得很好,这证明了广义相对论在现有试验测量精度范围内是正确的,同时也间接证实了引力波的存在)

250万年前,仙女座大星云(其实它是一个放大版的银河系,恒星数量比银河系还多)中的数千亿颗恒星一齐发出各种颜色、或看得见的、或看不见的光芒,穿越了遥远的星系际空间,长途跋涉了250万光年后,终于来到了太阳系,来到了地球。1920年4月26日,在大洋彼岸的美国自然史博物馆,天文学史上一场著名的“沙普利-柯蒂斯之争”正如火如荼地进行着,沙普利和柯蒂斯都是当时天文学界的大V,粉丝众多,两人吵得不可开交,两人在吵吵啥呢?沙普利说银河系就是整个宇宙,仙女座大星云啊、漩涡星云啊什么的都是小天体,是银河系的一部分;柯蒂斯则反驳说仙女座大星云(M31)和其他漩涡星云都应该是独立的星系或岛宇宙,因为观测到仙女座大星云中的新星数量比银河系还要多,因此推断仙女座大星云其实像银河系一样,是一个独立的星系,应该叫仙女座星系才对。两位大V吵了半天,谁也说服不了谁,直到3年后这场吵架才终于见了分晓,柯蒂斯完胜!这是由于年轻的天文学家哈勃(对,就是“哈勃太空望远镜”和“哈勃定律”的那个哈勃,现在他的名字如雷贯耳,但当时哈勃还只是初出茅庐的小鲜肉一枚)从1919年开始用分辨率强大的胡克望远镜对仙女座大星云(M31)进行了多次的观测,终于在1923年时分辨出了M31周边的一些暗弱恒星,又利用M31中的造父变星(Cepheids,是一种变星,其光变周期与光度成正比,通过测量其光变周期,就能算出它的光度[即绝对星等,表示它实际有多亮],再通过它的视亮度[即视星等,表示从地球上看它有多亮]、绝对星等和视星等的换算关系能够算出这颗造父变星的距离,从而可以测定星际和星系际的距离)确定了仙女座大星云的实际距离,得出的结果与柯蒂斯由新星测定的距离数值相一致,证实了仙女座大星云(M31)其实是星系,柯蒂斯赢得了上世纪20年代天文界大V之战的胜利。实际上,仙女座大星云/星系(M31)仍然是现在人类借助望远镜能从中分辨出单颗恒星来的最远距离的河外星系。

仙女座大星云/星系(M31)(Adam Evans)

1.3亿年前,长蛇座的NGC4993星系(NGC是星云和星团新总表的缩写,这是这个星表中序号为4993的星系)的两颗中子星在相互绕转,越转越近,向外辐射出引力波,最终它们撞在了一起,合二为一,产生了人类既能“看”到(通过直接探测电磁波的方式)、又能“听”到(通过直接探测引力波的方式)的第一例双中子星合并事件,正式开启了“多信使天文学时代”(多信使=电磁波+引力波)。这也是人类有史以来探测到的第五例引力波事件。在此历史性发现的时刻,中国科学家和天文设备都没有缺席。人类首次窥见了引力波源头的奥秘,并证实了宇宙中的金、银等超铁元素(原子序数大于铁的元素,也就是原子序数大于26的元素)的产生主要是通过中子星合并。此次编号为GW170817(表示是在2017年8月17日观测到的引力波事件)的引力波事件一共产生了1万6千个地球质量那么重的超铁元素,其中包括约1万个地球质量的黄金和铂金!

哈勃太空望远镜观测到NGC4993星系中发生的第五例引力波事件GW170817产生的光学对应体

中国南极巡天望远镜AST3-2观测到GW170817产生的光学信号

中国“慧眼”望远镜对GW170817产生的伽马射线电磁对应体

20亿年前,这颗位于室女座的名为3C 273的类星体发出了一缕光线,穿越了漫长的宇宙空间(现在3C 273距离地球约24亿光年)后,在上世纪50年代末被观测到,并于1963年通过对其红移的测定确定了它的距离。类星体的发现和证认也是上世纪60年代的四大天文学发现之一。

第一颗被证认的类星体3C 273(ESA/HST)

74亿年前,一颗十分遥远的Ia型超新星(SN 1998I)爆炸了,爆炸发出的光线穿越了漫长的星系际空间(现在这颗超新星距离地球约190亿光年),在1998年时被观测到并获得了它的光谱,通过超新星的光谱谱线确定了其准确的距离,超新星SN 1998I(表示在1998年观测到的第9颗超新星,因为I是第9个英文字母)和其他数十颗遥远距离的Ia型超新星的发现和对其距离的测定,直接证实了宇宙是在加速膨胀的(现在认为宇宙加速膨胀的主要因素是暗能量导致的)。这一发现也获得了2011年的诺贝尔物理学奖。

证实宇宙在加速膨胀的数十颗遥远Ia型超新星中的4颗

两个课题组根据遥远超新星绘制的哈勃图(横坐标是红移,纵坐标是距离模数,即视星等减去绝对星等)

(High-Z SN Search Team/Supernova Cosmology Project)

(两个团队在红移z~1处总计发现了58颗Ia型超新星,作图后发现符合宇宙学常数M=0.3,=0.7的宇宙学模型,即今天的宇宙中物质(物质包括看得见的正常物质和看不见的暗物质)约占30%,暗能量约占70%,M代表宇宙的物质密度,代表宇宙的能量密度,两者之和等于,由宇宙学常数M=0.3,=0.7可以计算出宇宙的减速膨胀参数q(0)<0,这也就说明今天的宇宙是正在加速膨胀!)

138亿年前,宇宙大爆炸(Big Bang)发生,约38万年后,产生了现在被称为“宇宙微波背景辐射”(CMB)的各向同性的电磁辐射,其特征是和绝对温标2.7K的黑体辐射谱相同,俗称“3K背景辐射”,于1964年偶然被发现,它实际上是宇宙大爆炸后的遗迹,自此以后,“宇宙大爆炸”就从理论假说变成了观测事实,因此“宇宙微波背景辐射”(CMB)被誉为20世纪60年代四大天文学发现之一。发现CMB的两位射电天文学家也因此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。除了地面的观测手段,更重要的是通过天文卫星对CMB进行观测,先后有3颗卫星发射升空进行CMB的观测,它们分别是1989年发射的COBE卫星、2001年发射的WMAP卫星、以及2009年发射的Planck卫星,这3颗卫星的观测精度越来越高,对CMB测得越来越准。COBE卫星发现“宇宙微波背景辐射”(CMB)符合黑体辐射形式,在整个天空的大尺度上是高度均匀、各向同性的,但在小尺度上是有温度涨落、各向异性的。现在公认温度涨落起源于宇宙早期的暴胀阶段的量子涨落,COBE卫星的发现使得它的两位主要项目负责人因此获得了2006年的诺贝尔物理学奖。

最初发现“宇宙微波背景辐射”(CMB)的15米号角形接收天线

COBE卫星获得的“宇宙微波背景辐射”(CMB)实测值

COBE卫星测量到的“宇宙微波背景辐射”

WMAP卫星测量到的“宇宙微波背景辐射”(CMB)分布图

Planck卫星测量到的“宇宙微波背景辐射”(CMB)分布图

3颗天文卫星的观测精度比较

宇宙从大爆炸开始的时间线,发现没有?天文学研究的往往是宇宙过去的事情!考古学研究的往往是人类过去的事情!两个学科都在研究过去的事情,所以天文学也是考古学啦,只不过它不是“人类考古学”,而是特殊的“宇宙考古学”!

以上,小编完美地证明了天文学其实也是考古学!

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