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星系和宇宙质量如何测算,科学思维要由简入繁,看似简单实则复杂

2020/6/24 2:04:40 来源:原创 浏览:

由简入繁的宇宙与科学

宇宙学家绘制的宇宙演化时间线,大爆炸后大约1.8亿年诞生了第一批恒星

宇宙无时无刻不在吸引着人类,系外星球,闪亮恒星,浩瀚星河,还有那神秘的暗物质与暗能量。人类在看待宇宙的时候是充满梦幻与想象的,比如说宇宙中有没有和我们相同等级的文明,他们是不是也在思考着同样的问题?宇宙中拥有生命吗,宇宙到底有多大等等。思维有多远,人类的想象就可以走多远。

想要更多的了解宇宙,探索宇宙,梦幻与想象不是最关键的,我们还需要科学的帮助。回归科学本质,宇宙起源,跳出想象思维,我们总会有很多看似简单但其实是最根本的问题。比如宇宙中有多少颗星球,多少个星系,黑洞与暗物质暗能量有关系吗?宇宙之外是什么,大爆炸之前是什么等等。这些问题看似简单,但是解答起来是非常复杂的,这里面存在很复杂的科学变量。万物没有绝对,一切都在变化之中。

宇宙中的所有物质分布在宇宙网结构中,插图是一幅放大了的局部宇宙网高分辨率图像,这个部分跨越了1亿光年,宇宙网的空洞结构由暗物质暗能量组成

人类科学还在萌芽期间,随着我们对宇宙科学探索的深入,会有更多问题浮现出来,有的时候,看似简单的问题,会更难解答。今天我们探讨的是就是一个看似简单的问题,如何给不同的天体结构“称重”。天文学家在进行理论推导时总会说到这颗系外行星多大,那个星系是多少个银河系有多少太阳质量等等,星球星系的大小超乎我们的想象,天文学家们是如何知道或者计算的呢?计算恒星或者其他天体结构的背后拥有其科学道理。

从计算星球质量开始

在计算其他星球质量之前,我们需要从确定地球的质量开始,牛顿万有引力定律告诉我们,两个物体之间的引力是成比例的,引力的大小与两物体间质量的乘积成正比,也可以记做它们的质量除以它们质心之间距离的平方。为了得到一个合理的近似值,我们可以假设它们的地理中心是它们的质量中心。

知道太阳的质量,我们就可以计算其他星球的质量

知道地球的质量和半径以及地球与太阳的距离,我们就可以再次利用万有引力定律计算出太阳的质量。地球和太阳之间的引力是万有引力常数G乘太阳的质量地球的质量,除以地球和太阳之间距离的平方。有一个需要注意的是引力必须等于地球保持绕太阳(近乎圆形)轨道所需的向心力,向心力是地球的质量乘其速度除以与太阳的距离的平方。通过天文测定到太阳的距离,我们可以计算出地球绕太阳的速度,从而计算出太阳的质量。

一旦我们有了太阳的质量数据,就可以通过天文方法确定其他行星的轨道半径和周期,计算所需的向心力,这样的话我们就可以确定任何行星的质量了。换句话说,行星的质量是由它对其他天体的引力作用决定的。

几个系外行星和主恒星与地球的真实比例

为了计算其他行星的质量,我们必须以某种方式测量它对另一个天体的引力的强度。如果这颗行星有一颗天然卫星,那么这就简单多了,通过观察卫星绕其主行星运行所需的时间,我们可以利用牛顿方程来推断行星的质量。对于没有被发现的或者说压根没有自然卫星的行星,我们就需要采取其他方法了。比如水星和金星就没有卫星,但它们确实对彼此和太阳系其他行星产生了微小的引力,天文学家可以利用这些小偏差来确定这些无天然卫星行星的质量。

迄今为止,科学家们已经证实了在太阳系外有4000多颗系外行星围绕恒星运转。要确定这些遥远的星球是否适合居住,需要知道这颗系外行星的质量,知道这颗星球的质量非常重要,因为这些数据有助于帮助天文学家推断这颗行星是由气体还是岩石构成的,除了行星的构成外,系外行星的质量数据还可以帮助天文学家论证行星的表面和内部活动,例如板块构造、全球磁场等数据。

目前天文学家和太空望远镜一共发现了4000多颗系外行星,未来随着新的系外行星太空望远镜任务的开展,这一数字会不断增加

不过目前估算系外行星质量的技术很有限,径向速度是科学家计算系外行星使用的主要方法。这个方法的原理是观察恒星轨道上的微小晃动,出现晃动是因为它被行星的引力所牵引,科学家可以从中得出行星与恒星的质量比。对于海王星大小的大行星或围绕非常明亮恒星运行的地球大小的小行星,径向速度的计算工作相对更容易进行。

去年,麻省理工学院的天文学家们开发出一种新的技术,只利用行星的透射光谱就可以确定系外行星的质量。这种透射测量光谱的原理是测量行星经过恒星时,行星大气透射恒星光中的倾角。这些数据可以被用来确定一颗行星的大小和大气性质,还可以揭示行星的质量。

径向速度法与透射光谱法是测定系外行星质量的两大方法

现在,天文学家可以利用太空望远镜和大型地面望远镜,分析系外行星的透射光谱。当一颗行星经过它的恒星前面,一些光线穿过行星的大气层时,就会产生一个透射光谱。通过分析光的波长,科学家可以确定一颗行星的大气特性,比如它的温度和大气分子的密度。从被遮挡的光的总量,就可以计算出行星的大小。

为了测试这一方法,MIT天文学家们利用这项技术测量了一颗编号为HD189733b的系外行星,该行星位于63光年之外。根据透射光谱的质量数据,天文学家得出了与径向速度法相同的质量结果。未来,高分辨率空间望远镜的规格会不断升级,就比如詹姆斯·韦伯空间望远镜,它的红外科学仪器是观测系外行星大气的利器,这项新技术在未来也会被更多太空望远镜所适配,天文学家对系外行星的质量数据也会越来精确。

透射光谱法艺术渲染图

身处其中的星系观测

宇宙中有多少颗星球呢?谁也无法推断具体数值,有一个形象的比喻是宇宙中的星球比地球上的沙子还多的多。我们虽然不知道宇宙中的星球数量,但是科学家推测银河系星球数量大约在2000亿至4000亿颗区间,那么这么多星球组成的星系的质量是多少呢?这对于天文学家来说是一个难题。天文学家利用美国宇航局哈勃太空望远镜和欧洲航天局盖亚卫星的新数据,重新计算了银河系的质量,得出的结果是我们的星系重约1.54万亿太阳质量。

为什么是1.54万亿太阳质量呢?首先我们需要看看这个数值的构成部分,首先银河系中2000亿至4000亿颗星球的质量占了一部分,其次是400万太阳质量的银河系中心黑洞。这两个部分都是银河系质量组成的一小部分,所有剩下的是天文学家们对暗物质与暗能量,还有银河系附近晕圈结构的估计数字。

银河系外围还有很巨大的晕圈结构,我们可以把它理解为一种热等离子体,这些结构天文学家都会算在银河系结构质量内,目前我们无法确定其性质

太空望远镜可以直接观测的物质更好推测质量,未来随着多个广域太空望远镜任务的展开,银河系中星球的数字会越来越精确,但是暗物质与暗能量一直是令天文学家头痛的问题。什么是暗物质?我们真的不知道,天文学家目前只能假设它可能是成堆不可探测的奇特的理论粒子。暗物质与暗能量不仅在所有宇宙星系的质量中占比极高,就连可观测宇宙中的约96%也是暗物质与暗能量组成的。

了解我们星系的质量,在天文学中是很重要的,由于不知道银河系的质量,很难计算它是如何与附近的星系,比如仙女座星系相互作用的。了解银河系的质量也有助于我们更好地理解它是如何演化的,让我们对其他星系是如何形成的有更多的了解。未来,天文学家希望更准确地了解银河系的质量,以便将其置于宇宙学理论背景框架之下,并将其与早期宇宙中的星系模拟数据进行比较,银河系的精确质量对许多宇宙学问题来说都是关键部分。

不识庐山真面目,只缘身在此山中,我们晚上看到的所有星星都在红色圈之内

现在,天文学家已经掌握了利用遥远星系旋转的速度来估算其质量的技术,但是测量银河系的质量要困难得多,因为我们身处银河系内部,无法了解其大局。举一个例子,就是你想知道你的房子有多大,但是你却不能离开你的衣柜,你只能在衣柜里面推断整个,大的不得了的房子的面积,这极其困难。

另外仅仅通过观察一个星系是不可能“称”出它的重量的,更不用说观察者恰好在它的内部,不过星系越大质量越高,它的内部星团在重力的作用下移动得越快。所以从今年1月开始,天文学家准备观察围绕银河系中心运行的157个球状星团,或者说是非常密集的恒星群,来计算银河系的速度。

Abell 2744 星系的星团

天文学家们已经观察了34个遥远的星团,准备在22个月内利用欧洲宇航局的盖亚天体测量卫星估测这些星团质量,它们大多距离地球6500到70000光年。天文学家还研究了哈勃望远镜观测到的另外12个星团,大约13万光年远。随着观察结果的不断更新,这些星系团的运动给了天文学家足够的数据来估测整个星系的旋转速度,他们可以用这些数据来计算星系的质量。

给宇宙“称重”

星球,组成了星系,星系与超巨大结构,而这所有包括宇宙空洞结构组成了宇宙,关于星系的质量,天文学家们还能有一个区间数值,有一个内部参考物,但是宇宙的质量从科学角度来讲,我们无法得知。因为不仅需要计算所有星球和星系的质量,还需要计算星际空间中的暗物质暗能量,尘埃云甚至中性氢的质量。天文学家探寻宇宙质量的数值已有一个多世纪,现在他们仍在寻找更精确的方法。

2015年2月,普朗克宇宙探测器研究小组发布了数据,将宇宙密度能量值精确为4.9%普通物质,25.9%暗物质和69.1%暗能量,在剩余的重子物质中,只有十分之一是致密的

测量宇宙质量是了解其历史和演变的重要参数,暗能量驱使宇宙膨胀的同时,重子可见物质会试图阻止宇宙膨胀,这种抵消的力共同组成了宇宙中物质和能量的平均密度,称为宇宙密度参数,此参数对于宇宙学标准模型至关重要,而测量此参数的一种方法是查看宇宙微波背景CMB。大爆炸产生的辉光的温度变化很小,这些变化的数值可以告诉我们宇宙膨胀的速度,反过来这会让我们知道了宇宙物质的密度,进而推断可观测宇宙的质量。

衡量宇宙质量的另一种方法是观察遥远星系的光线如何被星系偏转,也就是引力透镜效应,这是一种粗略的估算方法。天文学家在进行引力透镜观察时会先对单个星系进行比较,之后天文学家会进行统计比较。由于我们知道宇宙中大多数星系的形状,因此可以将其与我们看到的透镜形状进行比较,以统计出星系与地球之间存在多少个透镜效应,这就是天文学家们一个名为“千度调查”的计划。

引力透镜现象示意图,这些星系组成的星系团的引力如此之强,以至于它们能将后面星系的光线弯曲

透镜效应可以测量我们与遥远星系之间的质量,但不能提供宇宙密度的数值,为此,天文学家还需要知道星系有多远。所以天文学家还通过测量它们在几种波长下的红移数值来确定与银河系之间的距离,结果是宇宙密度参数与从CMB中计算出来的的参数略有不同。这是因为在标准模型中,假定宇宙中暗能量的数量是恒定的,但是,根据最新数据替代标准模型,暗能量会随时间变化而变化。

未来会有更多太空望远镜帮助我们探寻宇宙与科学的答案

看似简单问题背后的重要价值

一些复杂问题的背后,会有简单的问题与其对应,了解星系质量我们就可以得知银河系的演化乃至整个宇宙中可观测星系的演化,通过观察宇宙早期星系并估计质量,我们可以得知宇宙早期的物质状态能量状态等等。而得知宇宙质量将会彻底丰富宇宙模型,对宇宙演化理论和预测未来宇宙走向会产生极其重要的影响。

科学离不开计算,而科学的进步则离不开想象式思维,我们在面对一些看似简单的科学问题时也要深入思考,科学是由简入繁的,我们更应该有如此思维。

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