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人类观测从肉眼可见300万光年到138亿光年的距离,是如何做到的?

2020/6/28 22:26:08 来源:原创 浏览:

在400年前,也就是1609年前,我们人类肉眼可观测到最遥远的宇宙大约是300万光年之外的三角座星系。稍近一些的有250万光年外的仙女座星系和20万光年外的小麦哲伦星系。能看到的最远的恒星也不超过1000光年之外。

银河系示意图

然而,这些我们肉眼可见的星系之外还有多达2万亿个星系。2013年,普朗克太空望远镜通过对宇宙微波背景辐射的观测,得到宇宙的年龄是137.98亿年(约138亿年)。因为宇宙一直在膨胀,所以我们可观测到的宇宙,假如以地球为中心的话,向外延伸最大的范围是465亿光年之内。光的速度约30万千米/每秒,465亿光年,就是光走过了465亿年的距离。

对于我们人类,遥远的太空,一直是神秘莫测的,揭开宇宙的秘密也成为我们人类永不息灭的欲望和动力。区区300万光年的范围怎么能满足我们探索宇宙的欲望呢,我们想要看到更加遥远的宇宙。

望远镜可以观测到更多肉眼没法观测到的宇宙景象

1608年,荷兰的一个眼镜商人汉斯.利伯希偶然间发现两个镜片放一起可以看到更加远的物体,于是发明了望远镜。这一发现,对于那些具有敏锐感知的人来说,意识到它具有非常巨大的作用,这些人中就有一个叫伽利略,他于1609年第一个通过用镜片发明了天文望远镜。此时,我们已经可以观测到许多肉眼看不到的宇宙景象,比如当时伽利略就是通过天文望镜观测到了木星的卫星,后来奥勒.罗默还通过这个木星的卫星运行的一些规律,最早算出了光的速度是22.5万千米/秒。

望远镜

从此,望远镜的敏度和分辩率就一直在不断的提高和改进之中。1611年,德国的天文学家开普勒通过对望远镜的改进,提高了它的放大倍数。沙伊纳在开普勒的设计原理上设计的望远镜还看到了太阳的黑子。而1917年,胡克发明的望远镜,哈勃用它发现了宇宙正在膨胀的惊人事实......

胡克望远镜

我们知道,望远镜设计的原理,是通过用镜片对光的折射和反射得到物体放大的成像,从而看到更加遥远物体清晰的面目。而这些星体的光是从离我们非常非常遥远的地方传播过来的。这些光通过地球的大气层时,会受到大气的散射干扰而让光线变得模糊不清,臭氧层还会吸收传播过来的紫外线而影响观测的结果。为了解决些个问题,科学家们不得不想办法把望远镜送到大气层之外的太空去。

太空望远镜可以观测到离地球134亿光年的宇宙景象

20世纪40年代开始,太空望远镜就成了天文学家们的梦想,直到1990年4月24日,美国航空航天局(NASA)的哈勃望远镜升空,我们探索宇宙又开始进入了一个新的纪元。

哈勃望远镜

哈勃望远镜是在离地球559公里的高空工作的,所以它避免大气层和臭氧层的干扰,拥有比地面上的望远镜高出10倍以上的清晰度。哈勃望远镜的工作频率以可见光为主,延伸到近红外线和近紫外线。今年已经是它的30周岁,他升空以来,给我们带来了丰厚的礼物,给我们传回来大量珍贵的天文影像。1995年,哈勃望远镜拍摄的“哈勃深空“影像,已经是深入到宇宙大爆炸后10亿年左右的空间,也就是离我们有128亿光年的空间;2012年拍摄的”哈勃超深空“影像,则是深入到宇宙大爆炸后6亿年左右的深空;到了2018年,哈勃捕捉到了离我们有134亿光年的Z11星系,这时我们已经可以观测到宇宙大爆炸后4亿年左右的星空。

哈勃望远镜观测宇宙示意图

至此,我们观测的宇宙还是在可见光和红外线和紫外线的范围之内。物体发出光的亮度与它的强度有关,而光的颜色则和它的频率有关。在可见光中,光的频率大小由弱到强对应的颜色分别是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。不可见光中,红色之外是频率越来越小的红外线、微波和无线电波;紫色之外则是频率越来越强的紫外线、X射线和伽马射线。

为了全方位的探测宇宙,现代天文望远镜的工作频率范围从可见光已扩展到几乎所有不可见光的波段。NASA的大型轨道天文台计划就包括4个空间望远镜:哈勃望远镜、康普顿伽马射线天文台、线德拉X射线天文台和斯皮策空间望远镜。它们就分别工作在可见光、红外线、紫外线、伽马射线以及硬X射线、软X射线这些不同的波段。

康普顿伽马射线天文台

2015年,中国的硬X射线调制望远镜(HXMT)升空,它也是我国的第一颗天文卫星。至今,世界上拥有天文卫星的国家和地区大致可分为三个梯队:第一梯队是独领风骚的美国;第二梯队是欧洲空间局以及欧洲的一些国家;第三梯队是印度、日本、中国、俄罗斯、巴西、韩国和台湾地区等。

射电望远镜探测到宇宙大爆炸后38万年时的景象。

我们说一个发光的物体时,并不是指仅仅发出可见光,光其实就是一种电磁波,物体发光就是一种电磁辐射,只是频率不同体现出来的颜色不同而已。光的频率越小波长就越大,有些可见光传播的距离和时间长了,受到各种影响频率也会变得越来越小。如宇宙背景辐射经过137亿年到达地球时,已经是一种微波,所以我们称之为宇宙微波背景辐射。

1931年,美国贝尔实验室的杨斯基在搜索和鉴别别人干扰信号中接收到来自银河系的射电辐射。射电波实际上是一种无线电波,它是从遥远的天际穿过大气层来到了地球。随后,格罗特.雷伯在自已家的后院建了一个探测宇宙射电的天线,在1939年同样探测到了来自银河系的射电辐射,世界上第一台专用于天文观测的射电望远银诞生了,从此射电望远银开创了用射电波研究天体的新纪元。

射电望远镜

这种来自宇宙的射电辐射,最早我们可以追溯到宇宙爆炸38万年前。宇宙大爆炸之始,各种粒子在温度高达上100亿度的环境下,相互对撞,光子一产生就被电子碰撞湮灭,跟本就没法走远。直到宇宙大爆炸38万年后,温度下降到3000开尔文以下(0开尔文是绝对温度-273摄氏度),此时原子核已经可以捕获住电子,光子不再受到电子的碰撞,从而大量的光子自由的奔向了宇宙的四面八方,这个大量光子脱离电子的时刻,形成了一个不断膨胀的“最后散射面”,这就是“宇宙背景辐射”。这个“宇宙背景辐射”已经在1946年,被美国两位无线电工程师威尔逊和彭齐亚斯在偶然中发现。


普朗克望远镜观测的宇宙微波背景辐

所以大爆炸后38万年之前的宇宙,我们没法通过光去观测到。理论上,我们通过射电望镜能观测得到的最远距离,也是宇宙大爆炸38万年之后的景象。

目前世界上最大的射电望远镜是2016年9月25日在我国贵州落成的“天眼望远镜”,英文名称FAST。它的球面口径达500米,面积相当于30个足球场,比此前世界上最大的美国阿雷西博天文望远镜面积还要大很多,并且灵敏度提高了2.23倍。“天眼望远镜”至今发现的脉冲星数量已经超过了欧洲其他搜索脉冲星团队的总和。如果有外星人发信息联系地球的人类,估计“天眼望远镜”应该会是第一个收到。

贵州天眼望远镜

自射电望远镜出现以来,天文学家取得了很多非常重要的成果,如发现了脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子等等。天文学家们还会继续用它去探索黑洞,外地文明......

中微子可探测到宇宙大爆炸后1秒时的景象。

通过光我们可以观测到宇宙大爆炸后38万年后的景象,那么38万年之前的景象呢?科学们不会放弃。

在20世纪20年代,大自然主动给了物理学家们一些启示。就是科学家们在做β衰变实验时发现,能量不守恒了。按质能守恒定律,中子衰变成一个质子和一个电子,那么质子和电子的能量总和应该等于中子才对,可是在实际测量中,却少了那么一丢丢,一部分能量莫名其妙的消失了。

这时有一部分科学家就宣布,能量守恒定律在这里失效了!但是,能量守恒失效这是不可思议的呀!泡利在1930年12月4日的一个物理大会上,让他的朋友转提了一个建议:就是中子衰变后,除了产生电子和质子,应该还有其他的粒子,是这些粒子“偷”走了那一部分能量。1934年,费米觉得这个想法不错就给这些还看不到的粒子一个名字,叫做“中微子”。

泡利的这个预言出来26年后的1956年,科温和莱因斯等人在实验中真的发现了"中微子“粒子。

中微子质量非党非常的小,电子的质量都比它重上百万倍。它以接近光速在飞行,它几乎不和任何物质发生反应,所以它能轻松的穿越任何物质,1光年厚的铅墙,它都能毫不费力的秒穿过。这些中微子,无时无刻无所无在的在宇宙中穿行,你伸出一个母子,一秒中内就有700亿个中微子从中穿过,但是它并不会伤害到我们。

中微子像光一样,也有一个“最后散射面”,但是它比“宇宙背景辐射”出现得还要早得多。当宇宙大爆炸到1秒中的时候,中微子就停止了和其他粒子的弱力作用,从此在宇宙中自由的飞翔,这就是“中微子宇宙背景辐射”。因为中微子十分难以探测,目前科学家们还没有直接观测到”中微子宇宙背景辐射“,只探测到太阳等遥远天际恒星传播过来的中微子。

现在科学家们在到处寻找中微子的踪影,希望从中探究出宇宙的丁点秘密。如加拿大地下2.1公里处的萨德伯里中微子天文台、日本的中微子超级神冈探测器等等。如果有一天我们探测到了”中微子宇宙背景辐射“那么理论上就可以了解许多宇宙在大爆炸后1秒中时的现象。

日本超级神冈中微子的探测器

引力波可探测到宇宙大爆炸后10^-35秒时的景象。

观测到宇宙大爆炸后1秒中的景象就满足了?科学家们并不会,否则他们就不称之为科学家了。

那么宇宙中还有哪些东西,从早期的宇宙,跨越遥远的时空,如今还残留在宇宙之中的呢?还真有!可能你也猜到了,就是引力波。爱因斯坦的广义相对论早在1915年就预言了引力波的存在。爱因斯坦认为引力是由时空的弯曲造成的几何效应,而引力波则是时空扰动产生的涟漪。

100年后的2016年2月11日,LIGO科学合作组织和Virgo合作团队宣布首次探测到了双黑洞合并引发的引力波信号。2017年10月18日晚10时,全球天文学界联合发布了,人类首次直接探测到由双中子星合并产生的时空涟漪——引力波。它走过了1.3亿年后,竟然被我们捕捉到了!

双中子星合并示意图

暴胀宇宙理论认为,在宇宙爆炸的初期,即大爆炸至10^-35秒时,在10^-33秒内空间有一次急速膨胀。因宇宙在极短时间内膨胀到难以想象的地步,这个时间内膨胀的宇宙已经有如今可见宇宙的大小,这让空间变得非常的平坦。同时空间暴胀的过程也产生了时空的涟漪,这就是原始引力波。这些引力波还在宇宙中传播,如果有一天,我们能够捕捉到它,就能了解到宇宙在大爆炸到10^-35秒时的更多情况。

LIGO引力波探测器

引力波因为是时空自身的一种扰动,和电磁波不同,它传播的过程不会损失任何能量。不论是怎么样的物体,都没法阻挡引力波的前进。所以用引力波来探索宇宙具有更大的优势。科学家们可以利用引力波来了解黑洞,了解暗物质、暗能量甚至是利用它来理解宇宙最初诞生的机制。

总结

我们人类在探索宇宙的过程中,从肉眼到望远镜到太空望远镜、射电望远镜再到中微子、引力波……是人类智慧的结晶,探索大自然,我们不会只局限于自身具有的条件。《科技想要什么》一书的作者凯文.凯利说过:技术是让世界变得越来越有序的一种力量。技术的发展会伴随着人类文明的进程,技术的进步,让我们了解到更多的自然秘密,从而造福人类社会。引力波之后,我们还有什么是可以用来来探测宇宙的吗?

看看网友怎么说

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