关于天文学
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 现代宇宙学

在晴朗的夜晚仰望星空,你会看到大约二千颗星星。公元两百年前,古希腊的天文学家Hipparchus就在凝望天空,并且看到了同样的星星。Hipparchus花了许多年去仔细的观察星星,而且是绘制天图的先驱之一。利用他自己制作的天图以及古巴比伦人的观测资料,Hipparchus发现如果我们在每年春季的第一天观察星星的位置,会发现星星的位置逐年都在发生轻微的变化。他的这个发现被认为是天文学史上的最伟大的发现之一。但是如果没有他自己绘制的天图,就无法发现这一现象了。

现在,天文学家们正慢慢的接近于许多其他令人兴奋的发现。他们已经发现了类星体,它的大小和太阳系差不多,但是它的亮度要比整个星系还要亮,在宇宙中它们是最遥远的天体。天文学家还发现了微弱的“失败恒星”?D?D褐矮星,这是在恒星演化过程中缺少的一环。并且,天文学家正在构建一张能反映150亿年前整个宇宙的天图。但是如果没有一个准确的天图,现在的天文学家就会和Hipparchus一样不能继续去探索发现了。再过一些年,斯隆数字巡天(SDSS)将制作出天文史上最详细的天图,天文学家们将在未来的数十年研究中使用它。

Tycho Brahe's observatory

天空巡测的历史

天空巡测有一个悠久的历史,并且天文学领域由此产生了一些非常重要的发现。在Hipparchus以后,接下来大部分系统的天空巡测直到1700年才开始。16世纪,丹麦的贵族第谷布拉赫(Tycho Brahe)在自己的天文台里研究行星的运动。布拉赫(Brahe)和他的助手借助一个大的六分仪直接用肉眼进行观测。六分仪是水手们用来找星的一种工具。布拉赫Brahe用了十年的时间进行测量,并且他的测量要比以往任何的测量都要精确。在布拉赫去世后,他把所测量的数据传给了他的助手约翰刻普勒(Johannes Kepler)。刻普勒利用布拉赫的这些数据推算出所有的行星绕太阳运动的轨迹都是一个椭圆。这个结论彻底的推翻了“地球是宇宙中心”的论断。并且刻普勒据此推导出非常著名的行星运动三大定理。刻普勒完全基于布拉赫的天图所做出的工作,是科学界至高无上的成果之一。

在刻普勒时代过去三百年以后,天文学家们认为宇宙是由银河中的恒星组成,并且伴随着大量昏暗、模糊而且神秘的天体,他们把这种天体叫做“星云”。大多数的天文学家都认为这些星云散布在恒星之中。随后,他们发现这些星云实际上是离地球数百万光年的独立星系。早期的望远镜不能在这么远的星系中分辨独立的恒星,因此看上去就象是天空中一团小的模糊烟雾。


Our Milky Way Galaxy is similar in many ways to this one, found by SDSS.

在1917年,在加州的威尔逊山一架新的望远镜建成。这架威尔逊山望远镜是当时世界上最大的望远镜,而且它向我们展示出宇宙中全新的画面。利用这架巨大的望远镜,天文学家们发现那些星云其实是其他独立的星系,就象我们的银河一样。在这一令人惊讶的发现后的十年里,天文学家们又揭开了另一个让人惊奇的现象:宇宙不仅是由无数的星系组成,而且宇宙还随着时间正在不断的膨胀和变化。

膨胀的宇宙

在两千年的天文学历史上,没有任何一个人猜想过宇宙是可能膨胀的。对于古希腊的天文学家和哲学家来说,宇宙是一个完美的化身。天空是真实神圣的、是永恒不变的、并且它的几何结构也是完美的。在17世纪前期,艾萨克牛顿(Isaac Newton)发展了自己的引力定理,指出解释地球上的运动的定理同样可以用来解释天空中的运动。

然而,当牛顿(Newton)试图把引力理论应用于整个宇宙时,他碰到了困难。既然有引力,那么按照他的理论可以推出宇宙里所有的物质最终会聚集成一个大的球体。Newton知道这是不可能的情况,所以他假设宇宙是稳态的,这样他就推断出是“造世者”将星星放置的,并使它们之间具有极大的距离。


Albert Einstein's Theory of Relativity is the basis for our cosmological models of space and time.

1916年,阿尔伯特爱因斯坦(Albert Einstein)碰到了牛顿(Newton)曾经遇到的相同问题。爱因斯坦(Einstein)那时已经完成了他的广义相对论定理,这个定理用不同于牛顿定理的方式解释了引力。和牛顿定理一样,广义相对论也预言出宇宙将会被挤压成一个球体。因为爱因斯坦认为宇宙是稳态的,所以他在他的方程中加了一个常数项以抵消在非常大距离时的引力作用。许多年以后,有人指出爱因斯坦方程式有另外一种解决方法,在这个方法中宇宙必须是膨胀的。但是,爱因斯坦还是认为宇宙是静止的,仍然带着他加入的常数项去研究。

随后,在1924年,卡内基天文台的艾德温哈勃(Edwin Hubble)制作了一个新的天图。他用加州威尔逊(Wilson)山上的一台新的望远镜去观测一系列遥远的星系,并且发现这些星系的光都产生了红移。也就是说,光波正在拉长,就像来自汽笛的声波一样。哈勃(Hubble)还发现,越远的星系发生的红移越大。哈勃(Hubble)的观测说明宇宙是膨胀的,意味着宇宙是从一个点开始的,这一点就是大约150亿年前的宇宙大爆炸。当爱因斯坦听说了哈勃的发现后,他意识到他的方程预言了宇宙总是在膨胀的原理,并且称他的常数项是他的“最大的失误”。现在,宇宙膨胀的理念已经成为了所有近代天文学的基础。

绘制天空 - 是什么意思?

从哈勃时代以后,天文科学家们进行了更多的星空监测。但是,大多数天文学家研究的重点集中在观测少数的个别天体上,常常选择这些天体作为研究对象的原因是它们表现出不同寻常的特征。通过这些特殊天体的选择,天文学家们试图去观测并对天文现象加以分类以探索和界定远方的宇宙。然而,一些使用这种方法研究的天文学家发现他们认为是简单容易的计算实际上是非常困难的。例如,他们发现非常难以确定宇宙的膨胀速度(所谓的哈勃常数),宇宙的密度,星系群是如何聚集在一起的,甚至也难以确定组成宇宙的大部分物质是什么。这些困难的原因是明显的:天文学家拥有很少的可用数据。这就像他们研究整个海洋时,却仅看到北大西洋的一小片一样。天文学家认识到目前已经是勾画出另一个完整的天图的时候了,利用它人们能看到大部分天区,距离至几十亿光年。现在的科技已经相当发达,这个天图正被“斯隆数字巡天(the Sloan Digital Sky Survey)”所构建。

当我们说斯龙数字巡天(SDSS)能勾画整个宇宙时,这意味着什么?对于斯龙数字巡天(SDSS),这个天图将需要测定天空中成千上万能用望远镜看到的天体的位置和性质:包括整个北半天球的四分之一。在寻测这些天体时,斯龙数字巡天(SDSS)的天文学家们必须首先用他们的望远镜拍摄整个观测区域的星空照片。利用这一步的观测结果,几乎所有的天体将能够被分类为已知天体如恒星、星系和类星体。这样的观测也能够精确地测量各个星体的位置。从某种意义上说,这样的观测已经能够构成一个天图;它能告诉天文学家到哪里去寻找任何天体。但是天文学家也非常想测量这些物体的距离,以获得宇宙的三维图像。

那些研究宇宙起源和结构的宇宙学家对测量天体的距离非常感兴趣。为了测量天体的距离,斯龙数字巡天(SDSS)的天文学家们必须回到每一个观测到的星系并使用光谱仪再次观测它。光谱仪基本上说来是一个能将各种颜色的光分开的巨大棱镜。光谱仪能分析来自天体的光中,各种颜色光的量。由于宇宙正在膨胀,所有来自宇宙的光的波长会在其飞行中拉长。通过测定每个星系的红移,天文学家就能知道每个星系的距离,从而确定它们的三维位置而绘制3维天图。斯龙数字巡天(SDSS)的这个先进技术能够在一小时内测量大于600个星系的距离。在今后的五年内,斯龙数字巡天(SDSS)将能够测定超过百万个星系的距离。

A spectrum of a galaxy, which shows how much light the galaxy gives off at different colors. This spectrum is stretched, or redshifted, relative to what it would be on Earth. The number "z" at the bottom of the image shows the degree of redshift.

天文学的未来

从认为地球是宇宙的中心到明白我们的太阳只是组成银河的无数恒星中的一颗,人类的知识经历了从远古到文艺复兴时期的旅行。正像文艺复兴时期的伟大的地理探险者那样,天文学家们在上个世纪之交开始类比已往更远的探索,并且发现宇宙比任何人先前的想象的大小都要大很多。二十世纪的天文学家发现黑洞潜伏在星系的中央,有些恒星上的一个象糖块大小的物质的质量相当于一座山的质量,星系的碰撞,恒星的爆发,和类星体的爆发,其发出的巨大光亮能够照亮1000个银河系。

正如在早期的欧洲探险家来到“新大陆”之后不久,植物学家、地理学家、地质学家和勘测学家就对整个“新大陆”进行了彻底地系统的研究;今天的天文学家也沿着上个世纪的天文探索者的足迹,开始了他们自己的系统全面的宇宙探索。

然而,宇宙不可能轻易的说出它的秘密。通过全世界天文学家的努力工作,四龙数字巡天(SDSS)已经完成。在不久的将来,天文学家们将会利用四龙数字巡天(SDSS)的数据去发现更多令人惊奇的事情。