宇宙原来如此有趣

[宇宙原来如此有趣 / 福江纯 粟野谕美 著 ] n 书籍介绍: 　　浩瀚宇宙总是如此神秘、如此令人陶醉，让人心神向往。它不断激发人们无穷的遐思，不断催促人类探索的脚步！从托勒密到哥白尼，从开普勒到牛顿，从爱因斯坦到霍金，这场没有终点的探索接力赛正在如火如荼地进行。本书囊括了宇宙研究的最新成果,从太阳系的起源到探寻第二个地球，从黑洞到星系的尽头，带你踏上宇宙时空之旅，尽情欣赏一个前所未闻的新世界。 正文 宣传语 一部宇宙137亿年的演化简史一本了解最新宇宙研究成果的普及书 踏上宇宙时空之旅，探秘一个前所未闻的新世界！ 《宇宙原来如此有趣》 21世纪日本最流行的科普著作 探索浩渺星海无垠星系的成因寻找漫长岁月后人类的自我 日本宇宙研究的第一人为你讲述宇宙的最前沿 正文 编辑推荐 [编辑推荐] ◎这本书覆盖了最近十年研究宇宙研究的最新成果。语言通俗易懂,适合一般读者阅读。 ◎本书用彩色照片和图画，既有基础知识介绍,又有最新成果剖析,为广大市民认识宇宙 提供了很大的便利。——日本亚马逊读者 ◎一本了解现代天文学的入门书。 正文 前言 前言 当今科学技术的发展可谓是日新月异，而在这之中，天文学的发展尤为突出，几乎每日每夜都有新的发现，不断激发人们对浩渺空间的奇妙想象。 举个例子，对太阳系的探索进一步深入，并在其边缘地带发现比冥王星更大的小型天体，仅仅是近年来的事情。想必大家一定还对2006年的夏天记忆犹新：那年人类首次确定对行星的定义，从而使得整个太阳系风云突变。我们通过精细的计算机模拟实验，从理论上确定了太阳系的诞生过程，这也是最新的成果。 让我们将视线转移到太阳系以外。1995年，人类发现了第一颗太阳系外行星。到现在为止，发现的太阳系外行星总数已达到了333颗。虽然其中大多数是巨大的气体行星，但最近也发现了许多质量是地球数倍的系外行星以及大气中含有水的行星。由此可见，在今后的十年中，具备水以及氧气层等生命诞生必备条件的类地行星被发现的可能性也将大大提高。 在宇宙深处，黑洞所带来的剧烈活动不断产生，有关这些高能量天体活动现象的研究也取得了显著进展。20世纪90年代以后，在对待60年代便开始存在的迷题——天体伽马射线爆发这一现象时，使用了最新的探测装置，于世纪之交得出最终结论：伽马射线爆发也是一种普通的天体。 并且，有关黑洞周边的等离子气体圆盘的研究虽然已经进行了30多年，但现在还时常会有新的发现，也会有新的模型不断被提出，不断引发学术界的地震。另外，多维放射流体模拟实验、多维磁气流体模拟实验等计算机大型模拟实验都在对“黑洞=气体圆盘系统吹出的亚光速喷流”这一概念进行考证。还有一系列的观测通过巨型望远镜来完成对星体、气流、尘埃构成的星系以及对边缘星系即宇宙中最古老星系的探索。对于最遥远、最古老星系的探索，与揭开星系的起源之谜有着重要的联系。 再有便是宇宙本身了。进入21世纪以后，我们在宇宙论方面有了许多优秀的成果，通过研究，我们了解了宇宙的年龄为137亿年，宇宙空间是平坦的、宇宙处于不断加速膨胀过程中等许多之前所不知道的事情。 本书由站在研究第一线、亲身体验到这些宇宙研究最新成果的研究者们精心编写而成。考虑到如果开篇就讲述最新的研究成果，会给大家带来困惑，因此在本书的前半部分，编者根据书中新成果的主要内容，概括成25个小节，做了一些基本理论的。在第二部分中，将最新的研究成果分为八个小节讲述。当然，一些资深的天文爱好者即使不阅读前半部分也能够读懂后面的内容，关于本书的阅读方式，全凭大家的喜好。 另外，为了保证全书用词的统一性，编者对不同章节中的基本用语和文体稍作统一。但为了使大家感受到天文研究领域的瞬息万变，对于一些专业术语，我们没有做特意的统一。比如对于冥王星及海王星轨道以外的天体的不同称呼，该章节的作者在文章中使用了几种不同的说法，但编者未加改动。在一些章节的问题选择上，我们也尽量保持了原作的风格。 阅读本书以后，相信你会对最近十年的宇宙研究最新成果有较为详细的了解。站在研究的最前沿，最有意思的便是能够不断了解最新的知识。但当我们对一个自然现象有了新的了解后，马上又会出现一个新的谜团。我们发现了系外行星，那么宇宙中其他星球到底存不存在智慧生命呢？对伽马射线爆发的研究又近了一步，可是火球究竟是什么呢？我们证明了宇宙是在不断膨胀的，那么膨胀速度加快的黑暗物质又是什么呢？这一切的一切，我们都还一无所知。 说本书介绍了宇宙研究的最前沿，一点也不过分。因为它将带给你一个前所未闻的新世界。 编者/福江纯、粟野谕美 天文学的面貌可谓日新月异。研究人员每天都在对宇宙的历史及宇宙膨胀现象、宇宙大规模构造等课题进行着研究。为了使读者更好地掌握最新研究成果，本书的第一部分主要讲述天文学的基础知识，带领你参观目前最新的宇宙景象。 正文 第一节 宇宙日历—宇宙的历史 第一节宇宙日历—宇宙的历史 人的寿命大概有100年。在这100年中，我们哭泣、欢笑，相会、别离，经历着许许多多的酸甜苦辣，但将这100年放到宇宙中去看，却只是短暂的瞬间。因为现在的宇宙已经有137亿年，是人的寿命的1亿倍之多。 最新的研究认为，在137亿年前就出现了时间和空间，与此同时，还出现了一个小得不能再小的高温火球，这个火球急速膨胀（即宇宙大爆炸），最终成为了现在的宇宙。你可能无法想象137亿年究竟是怎样一个时间概念。为了便于理解，让我们把这137亿年按照比例浓缩成1年，以春、夏、秋、冬为界点来回顾一下宇宙的历史。 假定宇宙大爆炸发生在新年的第一天即1月1日0点。随着空间的膨胀，温度不断下降，我们所居住的银河系便出现了。它诞生的时间大概是在这一年樱花盛开的时候。之后不久，我们的母亲星——太阳和许多其他的星体一起降生。在闪耀着夺目光芒的太阳附近，气体与灰尘不断汇聚，到了9月份的时候，地球终于诞生了！ 秋分前后，地球上出现了原始生命。但这些原始生命开始无数次进化、生物种类急速增长则是在12月中旬之后的事情了。中生代的霸王——恐龙灭绝的时间大概在12月30日早晨6点半左右，到了12月31日20点50分左右，猿才终于进化成人。而现在生活在这个世界上的我们，则是在差0.2秒就要进入新的一年那一刻才出生的！真可谓“生之须臾”。 正文 第二节 地球与太阳系 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:18:09 本章字数:853 第二节地球与太阳系——太阳系与行星的大小比较 下面来想象一下宇宙的大小。在我们身边有各种大小不同的物体，但要把握一样无法用眼睛来确认大小的物体却非一件易事。比如，地球的直径约1.28万km，周长约4万km。虽然是个很庞大的数字，但有了飞机以后，我们便可以自由地来往于世界各地了。 随着宇宙开发技术的进步，人类的脚步踏上了月球，航天飞机的发明使得人类飞往宇宙不再困难。不过，航天飞机飞行时的离地高度约为350km，差不多等于从东京到名古屋的距离。如果将地球比作直径为30cm的西瓜，那么航天飞机仅仅就悬浮在距离这个西瓜8mm的上空，同样按照这个比例来看，月亮可以看作是距离西瓜9m左右的一个苹果。想到我们人类在40年前就已在月球上留下了足迹，你或许会觉得感慨万分，但如果与距离我们最近的恒星——太阳相比，人类登月便会显得微不足道。因为太阳完全可以看作是一座距离西瓜约3.5km远、直径为西瓜109倍、高10层（30米左右）的大楼！ 我们把太阳周围的行星以及许许多多大小不等的天体统称为“太阳系”，这些天体存在于大约40天文单位中（太阳与地球之间的距离为1天文单位）。再将视野扩大100天文单位，那里有许多没能成为行星的小型天体。而被认为是彗星故乡的“奥尔特云”则漂浮在10万天文单位（约1.6光年）之外的远方。近年来，许多学者都认为奥尔特云所在的位置便是太阳系的尽头。 接下来，我们将太阳看作30cm左右的西瓜，再次眺望缩小了50亿倍以后的太阳系。这次我们会看到，地球在离太阳大概30m远的地方，大小如同一颗葡萄核。太阳系中最大的行星——木星差不多像草莓一样大，在距离太阳160m的位置上运动。冥王星离太阳1.2km远，大小不足1mm。位于太阳系尽头的奥尔特云则远在3000km以外。即使缩小了50亿倍，太阳系依然可以包含两个日本列岛，并且绰绰有余。 关于太阳系以外……就请各位驰骋想象吧！ 正文 第三节 母亲星——太阳 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:18:11 本章字数:502 第三节母亲星——太阳 夜空中闪烁着许多颗星体。其中“恒星”是主要由氢元素气体构成的星球，内部由核融合反应而产生巨大能量，从而可以自己发光。为地球提供了温暖的光照、孕育无数生命的“母亲星”——太阳，也是许多恒星中极为平凡的一颗。 不过太阳与其他恒星相比，最大的不平凡便在于它与地球之间的距离足够近。就算是离太阳系最近的半人马座　星，离我们也有4光年，也就是说，它所发出的光要想照到地球要花4年的时间；而太阳光照到地球则只需要短短的8分钟。 太阳的活动周期约为11年。当它处于活动周期时，我们能够经常观测到好像人的黑痣一样的“黑子”以及“日珥”。日珥由磁力线变化所引发，是像烟一样漂浮的氢元素云。 由于太阳黑子爆发的地方温度较低，因此黑子活动表现为黑色，它往往出现在太阳活动剧烈的强磁场区。有时会在黑子活动区内出现剧烈的“耀斑爆发”，当出现大的耀斑时，携带有大量带电粒子的太阳风便会流向星际空间，到达地球时会产生无线电波干扰，有时还会出现极光。 如今的太阳大概有46亿年，正当壮年的它还将长久地释放光和热。 正文 第四节 “一个月”形成的月亮 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:18:12 本章字数:766 第四节“一个月”形成的月亮——月亮的诞生 这一节主要讲述月亮。月有阴晴圆缺，给我们带来无数美的感受。它的活动周期影响地球上许多生物的活动，并且，月的身姿时而浪漫、时而神秘，为我们的生活增添了许多浪漫色彩。 月球绕地球运动，是地球的卫星。它的大小约为地球的四分之一，在太阳系中也算得上是一颗大卫星了。由于月球的公转周期与自转周期相同，它和地球相对的一面（外侧）总是不变的。但通过探测器的勘测，发现它外侧与内侧的地形实际上有着很大差异。1969年，美国阿波罗11号飞船实现了人类历史上首次成功登月，探测队在月球表面进行探查，带回了月球上的岩石和土。 尽管离地球很近，但是关于月球我们依然有许多不解之谜。其中讨论得尤为激烈的，还是有关月球形成的问题。 关于这个问题，自古至今有三种说法：月球是地球分裂而成的“地球分裂说”；月球本来是与地球独立的两个个体，但由于受到地球引力牵引而成为地球卫星的“地球俘获说”；还有主张月球是在地球不远处独立形成的“共同形成说”。但仔细月球的成分和运行轨道，无论哪个说法都不完全正确，所以至今尚未得出最终结论。 最近，一种新的说法吸引了许多人的目光，那就是“大碰撞说”。这种学说认为，在地球刚形成的时候，曾与一类似火星大小的天体（原始行星）相撞，碰撞所抛出的碎片又重聚集在一起形成了月球。基于这种学说的计算机模拟实验表明，月球的形成仅仅用了一个月。这与经过1千万年才完全形成并稳定下来的太阳系相比，只不过是短暂的一瞬！ 如今，人们的目光再次集中在了月亮上。为了进一步研究月亮的起源与进化过程，日本于2007年发射了第一枚大型探月卫星“月亮女神”。同年中国发射了第一枚探月卫星“嫦娥一号”。 正文 第五节 红色行星之谜 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:18:14 本章字数:637 第五节红色行星之谜——在火星上发现了水 在夜空中闪烁的红色星体——火星，从古代就被认为与战争、天地异动等灾难深深相连，从而与人们的生活息息相关，并曾作为战争之星被人类所祭拜。至今为止，作为一颗生命存在可能性很高的星球，火星依旧为人们所瞩目。 19世纪末，意大利的天文学家斯基帕雷利观察到火星表面有许多暗线，并用意大利语“Canali（水沟）”为其命名。但由于将这个词从法文译成英语时，误译成了“Canals（运河）”，这样一来，“火星上肯定存在智能生物”的传闻在整个世界不胫而走。相信这则传闻的美国天文学家罗威尔甚至建了一座私人天文台对火星进行了彻底的观测。另据记载，1938年曾有听众把电台播送的广播剧《宇宙战争》中一则编纂的新闻当真，从而引发了一场恐慌。 1996年，美国航空航天局（NASA）发表消息称：“在火星的陨石之中发现了生命存在的痕迹”。这一消息再次吸引了包括研究者在内无数人的关注，但持反对意见的人也很多，至今仍未得出最终结论。 但火星上曾经有水存在的证据却不断被发现。2004年NASA的无人探测器“勇气”号与“机遇”号在火星进行探测时，发现在火星表面存在有流水作用而形成的地形以及曾受水流侵蚀的岩石。由欧洲航天局ESA发射升空的火星探测器MarsExpress（译注：火星快车）也在火星的南极附近发现了冰层。或许古时候，火星也是一个和地球相类似的含有丰富水质的星球。 正文 第六节 太阳系的旅客 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:18:16 本章字数:646 第六节太阳系的旅客——彗星和流星群 彗星总是突然出现在夜空中，并且拖着长长的尾巴。古时候，人们把彗星出现看作是不祥之兆，对彗星存在着敬畏之心。18世纪中叶，人类才揭开它神秘的面纱。从牛顿那里得知万有引力定律的英国天文学家埃德蒙•哈雷查阅资料发现，彗星（即今天的“哈雷彗星”）果然如万有引力定律所预测的一样，每隔大约76年便会出现一次。而在哈雷去世后，哈雷彗星再次造访地球的时间和他生前所预言的时间相吻合。这也说明了彗星是住在从太阳系边缘的一位旅行者。 “彗星”是由凝结成冰的水、二氧化碳、氨和尘埃微粒混杂所构成的一个“脏雪球”。它的直径只有数公里，每当接近太阳时，冰由于高温融化成为蓬松的气体，闪烁着夺目的光芒喷射而出。太阳风把喷射出的气体吹得很远，看起来就像一条长长的尾巴。不过彗星拥有慧尾的时间也很短暂，大多数的彗星轨道都是一个细长的椭圆形，于是它们刚刚经过太阳就要隐去自己美丽的身影，再度回到整个太阳系的边缘。 彗星经过后会留下许多尘埃，如果地球在运行时与它们相遇，就会有许多尘埃飞入大气层，在与大气的剧烈摩擦中灼热发光，我们便会看到流星飞落。这就是“流星雨”。 2001年11月，狮子座流星群带来了大规模的流星雨，向我们展示了大自然的壮观。它的母体彗星便是约每33年靠近太阳一次的彗星坦普尔•塔克尔。这样说来，倒不如认为流星雨是彗星从上古以来，就一直在赐予我们的精致礼物。 正文 第七节 太阳系的小朋友们 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:18:18 本章字数:504 第七节太阳系的小朋友们——小行星与TNO 太阳系里，有许多比行星还要小的、像石块一样的天体。这无数颗被称作“小行星”的天体大小均不等，主要分布在火星与木星的轨道之间，目前已经发现了40万颗以上。天文学界认为，这些小行星主要是太阳系诞生时出现的直径10km左右的“微型行星”经过碰撞后留下的残骸。 虽然大部分的小行星都分布在火星与木星之间（这一带被称为小行星带），但也有一部分分布在木星轨道上，和木星的公转周期相同，被称为特洛伊星群。 小行星容易与彗星相混淆，因为两者都是太阳系中的微型天体。但它们无论是在成分（小行星的成分是岩石，彗星成分为冰）还是在成因上，都有很大不同。 并且，随着大口径的天文望远镜和可以拍摄低温暗处小型天体的红外线照相机投入使用，人类已经可以观测到太阳系最边缘的小型天体。观测结果表明，在海王星轨道外侧也存在着“海王星外天体（TNO）”以及“艾吉沃斯-柯伊伯带天体（EKBO）”等众多小型天体，这些天体依然保持着太阳系刚刚形成时的状态。这些天体对于研究太阳系的形成有着很重要的意义。 正文 第八节 第十颗行星在哪里 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:18:20 本章字数:587 第八节第十颗行星在哪里——太阳系的定义 经过学术界长期的争论，在布拉格举行的国际天文学联合会（IAU）大会上终于为行星下了科学的定义。2006年8月，有关太阳系行星数量变化的消息传遍了世界各地。 一直以来，行星都被看作是围绕太阳公转的大型天体。太阳系的行星共有9颗，冥王星是最外围的行星。在这之前虽然一直没有对行星下过一个精确的定义，但也没有谁提出过异议。 然而，1930年发现的冥王星在当时虽然被认为和地球差不多大小，但随着观测技术的进步，科学家们逐渐发现它的体积比原先预测的要小得多，运行轨道也并不规则，这些都不符合人们对于行星的判断。到了1978年，冥王星的卫星卡戎星被发现，它的体积竟然是冥王星的一半，这也说明冥王星的实际体积比地球的卫星月亮还要小。 通过近年的观测，在海王星外侧发现了许多小型外天体，这一切都逐渐表明：冥王星与行星的成因不同，只是太阳系边缘无数微型天体中的一颗。到了2003年10月，科学家们终于发现了一颗比冥王星更大的天体：UB313（于2006年9月命名为厄里斯）。 这样一来，不论是从科学理论角度来说、还是从体积的大小来说，冥王星都已与行星的特征不符，天文学界已将其归为小行星之中新的一类“矮行星（dwarfplanet）”的代表之一。 正文 第九节 第二个地球 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:18:22 本章字数:547 第九节第二个地球——探索系外行星 本节主要讲述现在天文学界所注目的天体之一——系外行星。 很久以前，人们一直对太阳系之外是否还存在行星抱有疑问。20世纪中叶过后，随着观测水平提高，人类正式开始观测太阳系外的行星状况。终于在1995年，日内瓦天文台的研究者发现了一颗巨大的气体行星围绕飞马座51号星运动。至今为止，人类在太阳系以外发现的行星数量已达200多颗以上。天文学界把这些太阳系以外的行星统称为“系外行星”。 考虑到在飞马座51号星附近发现的这颗系外行星的公转轨道和木星很类似，行星本身会大量吸收来自恒星的光和热使得表面温度升高，科学家们将这类系外行星命名为“Hot•Jupiter（热木星）”。Hot•Jupiter属于轨道为圆形的系外行星，此外还有像彗星那样轨道为椭圆形的系外行星，它们占整个已发现系外行星数量的三分之二以上。并且在一颗恒星附近通常可以发现数颗系外行星，由此可见，行星通常是数颗一起出现的。 目前由于观测精度的原因，所发现的系外行星均为巨大的气体行星。不过科学家们已经开发了以探测行星系为目的的工程项目，看来距离人类找到类地行星（第二地球）的日子已经不远了。 正文 第十节 夜空导航仪 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:18:24 本章字数:566 第十节夜空导航仪——星座 大约从公元前3000年起，人类就开始观察夜空中无数闪耀的星体。在古文明发达的古巴比伦、埃及和中国，人们根据星体的排列图案划定了星座。古希腊于公元前6世纪继承了东方各国所规定的星座划定办法，从而形成了现代星座的雏形。古希腊的天文学家托勒密经过整理，划定了包括黄道12星座在内的48星座。到了16世纪，航海事业迅速发展。南半球航海路线开通后，南天星座划定，使星座得到了新的补充。1922年，国际天文学联合会（IAU）将众多星座整理为88个，也就形成了现在世界通用的星座。 我们所看到的星体大多都和太阳一样，是通过自身中心的核融合反应产生能量、自身发光的恒星。这些恒星离我们很远，远到几光年、甚至是几万光年，在太阳系之外的某处闪耀着光芒。就连距离地球最近的半人马座　星也有4.3光年（约40兆公里）远，如果搭乘目前最快的火箭，到那里则要花上8万年。 有些星体在同一个星座之中，用肉眼看去会误认为离我们的距离是一样的，但其实每一颗星体的距离都不相同。假如我们跑到宇宙空间里，横着看北斗七星，那肯定不会是在地球上看到的勺子状。同样，如果真的有外星生命，那么他们从宇宙的某颗星球上看到的星座与我们平时所看到的星座也一定是不同的。 正文 第十一节 星体里的大人 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:18:26 本章字数:753 第十一节星体里的大人——星体的亮度与颜色 我们所看到的星体有的明亮，有的黯淡。为了区分它们的亮度，产生了星体等级的概念。公元前2世纪左右，古希腊的喜帕恰斯根据肉眼所观测星体亮度的差别，将星体分为从1等星到6等星的6个等级。19世纪，英国天文学家普森对星体的亮度做了规定：最亮的1等星与最暗的6等星之间亮度相差100倍。并且对每个等级之间的亮度差数也做出规定：各等级之间的亮度差之比大约为2.51倍。这个规定现在仍然在使用。 如果仔细观察星体，你或许会发现它们之间在颜色上也有差别。比如在猎户座左上方，参宿四闪着橘色的光芒，但右下方的参宿七却发白光。星体之间存在颜色差异，是由于每颗星体的温度各有不同。温度低的星体主要发出红色或橙色的光，因此看上去发红；温度高的星体则发出绿色、青色或紫色强光，因此看上去就是白色或青白色的。 星体发出的光是由许多种颜色合成的，当光通过三棱镜的时候，便会显示为红色（光谱）。用光谱仔细分析颜色的强度及特征，除了能得到星体的温度、压力、构成元素等物理信息，我们还可以得知所见的星体正在做怎样的运动（视线速度）以及地球和该星体之间的信息（星际物质信息）等等。 星体的光谱可以被详细分成以下几类： O-B-A-F-G-K-M-L-T 星体越年轻、温度越高，波长变化越快。O型和B型的星体表面温度高达上万度。相反，低温的星体波长变化速度较慢，M型星体表面温度为3000度左右。近期通过红外线观测所发现的L型与T型星体的表面温度在1000度-2000度之间。而太阳属于G2型，表面温度为6000度，正巧位于光谱的中央。 星体放出的光可以说是“天体的指纹”。 正文 第十二节 星体的诞生与星宝宝 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:18:28 本章字数:561 第十二节星体的诞生与星宝宝——原始星与黑暗星云 用双筒望远镜或天文望远镜看天空，你会发现一种像云一样浮在夜空中的天体，那便是“星云”。星云是由气体和灰尘混合而成的，分为散光星云（辉线星云、反射星云）、黑暗星云、行星状星云、超新星残骸等几种。其中散光星云和所含气体物质更多的浓密黑暗星云被认为是星体诞生的地方。 例如，我们观察冬季的代表星座猎户座，可以看到在它第三颗星的下方有一团淡红色的云状物质，它就是猎户座大星云。在这团星云中，孕育着猎户座新生的四颗四合星星体。如果用红外线观测，你还会发现更多颗星宝宝。 宇宙空间中含有由氢原子构成的稀薄气体，它们经由许多作用聚合在一起，形成气体团（分子云）。气团在自身的重力作用下继续收缩，成为稠密的气团（分子云核）——“星体卵”。不久，分子云核开始转动，并逐渐形成圆盘状，其中心部分开始发出明亮的光，一颗星体（原始星）就这样诞生了。 原始星由于自身被气体所覆盖，通常肉眼无法观测到。我们所看到的只是原始星周围的气体吸收光的温度后所发出的光亮，即散光星云的光亮，因此散光星云可以说是星宝宝的摇篮。随着原始星的成长，其周围的气体被吹散，星宝宝便成为了一颗成年的星体——“主系列星”。 正文 第十三节 没能成为星体的星 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:18:32 本章字数:509 第十三节没能成为星体的星——褐矮星 由气体混合所形成的“星体”之中，有一部分质量较小，还不足太阳质量的7%。这样的情况下，“星体”由于中心温度和密度过低，无法产生核融合反应，也就无法产生核能量，使自身发光。因此，目前的天文望远镜还无法观测到这些天体，但随着大型天文望远镜的诞生以及高性能红外线照相机的开发，我们发现这样的天体在宇宙之中大量存在。 “褐矮星”便是上述天体中的一种。它的重量只有木星重量的10%-80%左右，表面温度也只有1000度-2000度。由于温度很低，它的构成中应含有大量甲烷和氨，如果近距离观察，会看到其表面呈褐色。这便是“褐矮星”名字的由来。 从质量上来看，棕矮星与木星这一类气体行星相似，但二者在构造和成因方面却有两点根本的不同：第一，褐矮星从内到外都由气体构成，而气体行星的中心则是固体；第二，褐矮星多为双星或独立存在的天体，而气体行星则绕恒星公转。 距今为止，通过观测计算，银河系至少有褐矮星1000亿颗之多。另外，还有虽然无法观测到，但被认为存在于宇宙之中的黑暗物质，它们也很有可能属于褐矮星之列。 正文 第十四节 星体里的老人 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:18:34 本章字数:749 第十四节星体里的老人——红色巨星、行星状星云、白矮星 不断放射能量的原始星经过数千万年后逐渐收缩，中心温度升高。当中心温度达到约1000万度时，核聚合反应发生，原始星成为成年星“主系列星”。主系列星的中心有氢元素气体发生核聚合反应，是“燃烧的星体”。 星体的寿命由重量来衡量。举例来说，太阳作为主系列星的时间大约为100亿年。但比太阳重20倍的星体核融合反应更为激烈，它们的亮度是太阳的数万倍。这样下去，这些星体中心的氢元素很快就会耗尽，能够作为主系列星的时间只有700万年左右。相反，有些星体的重量是太阳的一半，它们内部的核聚合反应便相对平缓，可以维持1千亿年以上。可见星体越轻，寿命越长；星体越重，寿命越短。 当主系列星步入老年，其内部氢元素减少，氦元素增加。当中心核的氦元素增加到一定程度的时候，由于内部缺少热源，中心核开始收缩。与此同时，为了保持平衡，含氢元素的外壳开始膨胀，最后这颗星便成为了一颗半径比太阳大100倍之多的“红巨星”。变成红色则是由于在急速膨胀过程中，星体的表面温度下降了许多。 由于重量不同，各个星体所面临的命运也不相同。 比如，当一颗比太阳轻8倍左右的星体中心核收缩时，它周围的气体被吹散，只留下碳和氧构成的、坚硬的核。这就是“白矮星”。白矮星的直径为数万公里，虽然只是太阳的百分之一（和地球相近），但由于质量和太阳差不多，密度竟可达到一立方厘米（一块方糖大小）一吨左右。 被吹飞的气体吸收了白矮星所发出的光，形成“行星状星云”，看起来十分美丽。由于观测方向不同，我们所看到的行星状星云有的很圆、有些则像一个沙漏，从星云的不同侧面去看，形状也各不相同。 正文 第十五节 壮烈的星之死 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:18:37 本章字数:490 第十五节壮烈的星之死——超新星和伽马射线爆发 那些重量是太阳8倍以上的星体，现在正迎来生命最后的精彩时刻。在灭亡之前，整颗星体发生大爆炸，这被称作“超新星爆发”。爆炸发生时发生强烈的光与热，宛如一颗星体诞生一般，几乎点燃整个夜空。人类观测到的最近一次超新星爆发在1987年，距我们很近的大麦哲伦星系出现了一颗超新星1987A，在地球上用肉眼就可以观测到它。神冈宇宙射线检测表明，在爆发中还有中微子产生。 大爆发后散落在宇宙中的气体叫做“超新星残骸”，这些气体不久又向整个宇宙空间扩散，成为下一颗原始星的一部分。 比太阳大30倍到40倍左右的星体发生超新星爆发的时候，由于规模巨大，最近被天文学界称为“极超新星”。虽然现在尚未得到证实，但已有许多学者认为，超新星爆发可形成中子星，极超新星爆发则形成黑洞。 天文学家们还猜测，能够形成黑洞的极超新星爆发时，有可能会以接近光速的速度释放出喷射状物质。这种亚光速的喷射状物质可能引起强烈的伽马射线，因此也可能是引发宇宙大爆炸即“伽马射线爆发”的原因。 正文 第十六节 一块方糖大小、5亿吨重的星体 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:18:38 本章字数:553 第十六节一块方糖大小、5亿吨重的星体——中子星 质量为太阳30倍左右的星体在超新星爆发后成为中子星，质量再大一些的星体则将成为中空的黑洞。 “中子星”半径约为10公里，比白矮星还要小，但质量却和太阳相似。这好比一块重约1吨的方糖。密度如此之高，使得星体不能维持原先的物质状态。我们周围的物体是由集合的分子构成的，分子又由原子或原子团构成，原子包括原子核和绕核旋转的电子，最内部的原子核由质子和中子构成。中子星的内部，原子完全被破坏，电子被质子吸收成为中子，整颗星体成为由中子构成的巨大物质。看似一块方糖的大小却有数亿吨的重量，原因就在于原子核的高密度。 另外，还有的中子星高速运动，产生有规律的电磁场（脉冲），被称作“脉冲星”。脉冲星以每秒1圈至1000圈的高速自传，并向强电磁方向释放电磁波。由于磁极一般都偏向公转轴的方向，电磁波的方向也随公转而改变。由于电磁波只在面向地球时方可观测，因此中子星在我们看来总是时明时暗。1967年刚刚开始进行中子星观测的时候，由于其脉冲极为规律，天文学家甚至曾一度认为是外星人发来的信号。 观测超新星爆发后的残骸之一“巨蟹座星云（M1）”，便可发现在其中心的脉冲星。 正文 第十七节 时空的缺口——黑洞 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:18:42 本章字数:423 第十七节时空的缺口——黑洞 天文学家认为，当质量为太阳30倍至40倍的超新星爆发时，便会形成“黑洞”。黑洞虽然是直径只有几公里的小型天体，但由于其质量与太阳相当，如果再次用方糖来作比喻，黑洞便是一块重达百亿吨的方糖。因此它的重力作用很强，能够吸收包括光在内的周围所有物质。这也就是它被称为黑洞的原因。 爱因斯坦曾于1939年在广义相对论中预言过黑洞的存在，但黑洞真正被发现则是1971年的事。 黑洞自身并不发光，但由于它是超新星爆发的产物，因此经常会成为其他星体的双星。这时，其他星体周围的气体被黑洞吸入，黑洞边缘便逐渐形成了高温气体圆盘。这些聚集在黑洞周围的气体高达数千万度，放射出强烈的X射线，使得人们可以观测到黑洞的存在。 “天鹅座X-1（CygX-1）”是天文学家于1971年发现的第一个黑洞双星，它位于夏季星空的代表星座天鹅座之中。 正文 第十八节 银河的真面目 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:18:44 本章字数:750 第十八节银河的真面目——银河系的结构及内部 夜幕下的银河就好像一朵淡淡的浮云。当我们从横向眺望聚集了无数星体的银河系时，首先映入眼帘的便是这朵浮云。1610年，意大利天文学家伽利略使用自制的天文望远镜证实了银河是由许多星体集合而成，到了18世纪后期，英国天文学家威廉•赫歇尔统计了银河系中所有星体的数目，并绘制出银河系的形状。20世纪，美国天文学家沙普利等人通过测定球状星团距离的定义出了目前所知的银河系边界。 银河系中存在的恒星数目约为3000颗，从其上空俯瞰所见的银河是旋涡状的，从侧面看则会看到一个中心部分向外膨胀的圆盘。这个圆盘的直径大小为10万光年，中心部分的厚度为1.5万光年。“圆盘”是由许多星体、各类星云，还有包含成千上万颗年幼星体的“疏散星团”挤在一起形成的。银河系边缘被称作“光环”的区域存在着由数十万颗古老星体集合而成的“球状星团”，以及肉眼不可见的“黑暗物质”。目前天文学界认为黑暗物质是一种比星体大10倍左右的物质，但此种说法仍有待考证。 由于太阳系是在离银河系中心约2.7万光年的圆盘上，根据观测角度的不同，所见星体聚集的位置也不同。比如夏季的代表星座射手座位于星体密集的银河中心方向，因此夏夜的银河也就格外明亮。 在银河系中心，有一个重量为太阳370万倍的巨大黑洞。虽然位于银河系中心的这个黑洞比系外的黑洞距离我们近很多，但由于银河系内存在大量气体与灰尘（尘埃），大大增加了对它进行观测的难度。不过我们已经通过观测它所发出的穿透星际尘埃的电波、红外线、X射线、伽马射线等物质确认了它的存在。由于科学家们才刚刚开始进行针对银河系中心的观测，这个巨大黑洞的成因尚待探究。 正文 第十九节 星系的形状和种类 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:18:46 本章字数:738 第十九节星系的形状和种类——哈勃分类 “银河星系”是由数百亿至数千亿颗恒星以及大量的星际物质构成的，我们的银河系只不过是宇宙无数星系之中的一个。 天文学界认为，宇宙大爆炸时产生的氢元素和氦元素等气体汇聚在一起，形成了最初的银河系（原始星系）。之后，这个小小的原始星系与其它星系相碰撞并合为一体，它们当中的气体使星体诞生，这些星体使得星系不断膨胀，最终形成了现在我们居住的这个银河系。 一般来讲，星系的直径范围是1万光年至30万光年，重量为太阳的10亿倍到1兆倍左右。但也存在重量为太阳10兆倍的巨大星系——超巨椭圆星系（译者注：即椭圆星系）和光度弱的小体积星系——即矮星系。 星系按其形状可分为球型的椭圆星系、漩涡状带有圆盘的漩涡星系、圆盘状但无漩涡的透镜状星系、以及不属于以上任何一种形状的不规则星系。椭圆星系多由年老的星体构成，基本没有气体和灰尘，因此通常呈现黄色或红色。与之相对，由于旋涡星系的漩涡形旋臂中年轻的星体较多，含有大量气体与灰尘，整个星系呈现青色。另外，在星系的中间部位由于有包含许多年长星体的星系核球，又分为圆形星系和棒状（棒漩星系）星系。上述分类方法是由美国天文学家艾德温•哈勃制订的，于是被称作“哈勃分类”。 还有些星系以其活动剧烈、产生巨大能量著称。中心含有“活动星系核”的星系和“星爆星系”便是其中的代表。在这些星系中央存在巨大的黑洞，黑洞将各种气体吸收时会放射出强烈的光与电波、X射线等物质，使得星系中心显得十分明亮。这便是活动星系核。赛弗特星系、电波星系、类星体星系都含有活动星系核，其中每个星系又有其自身的特征。 正文 第二十节 远去的星系们 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:18:48 本章字数:659 第二十节远去的星系们——宇宙膨胀学说的发现 散布在宇宙中的大多数星系都不是固定不动的。确切地说，它们是在以飞快的速度向后远去。因而整个宇宙是不断膨胀的。 在运动过程中，离银河系越来越远的天体波长通常呈现红色（红移），而离银河系越来越近的天体波长则呈现为蓝色（蓝移）。这种现象被称为“多普勒效应”。通过多普勒效应，配合天体的光谱线，便可以得知该天体相对于观测方向的运动速度大小（视向速度）。 第一次世界大战后，在美国威尔逊山天文台工作的艾德温•哈勃用口径2.5米的大型天文望远镜拍摄星系的照片进行观测。他的观测对象是仙女座星云中的变星，通过所观测到的变星亮度来确定地球到仙女座星云之间的距离。通过这个观测，哈勃发现仙女座星云是一个在银河系之外独立存在的星系。 哈勃通过对其他相邻星系的观测还发现了以下两点规律：⑴大部分星系波长都呈现红移。⑵距离银河系越远的星系，其运动的速度越快。也就是说，距离我们越远的星系远离我们的速度越快。哈勃于1929年将他的发现公诸于世，这便是“哈勃定律”。 哈勃定律的发现使得人类意识到“宇宙在不停地膨胀着”。由于宇宙空间自身不断膨胀，所有星系才不断离我们远去，并且远去的速度越来越快。于是便发现了“宇宙膨胀”学说，人们发现，星系诞生在宇宙大爆炸后急速膨胀并冷却下来不久之后。也就是说，通过对宇宙空间的观测，我们不仅了解了宇宙过去的样子，也了解了星系的进化过程。 正文 第二十一节 漂浮在宇宙中的天然望远镜 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:18:50 本章字数:561 第二十一节漂浮在宇宙中的天然望远镜——重力透镜 就像每个人都有属于自己的指纹一样，天体发光的光谱也各不相同。这原本是众所周知的，但1979年，天文学家发现了一对类星体0957+561A+0957+561B，它们的光谱竟然完全相同！ 类星体是遥远宇宙中活动星系的中心核，十分明亮。而类星体0957+561A+0957+561B虽然是大熊星座方向的17等天体，但由于它呈现出两个光点，宛如一对双子星，并且两个光点的光谱又完全相同，于是发现它的时候天文学家将它命名为双类星体。 其实双类星体是一个单独的个体，只是看起来像两个类星体而已。根据爱因斯坦的广义相对论，在星体或星系等有质量的天体周围，重力作用使得空间扭曲，通过该空间的光也会随之扭曲。因此，被重力作用扭曲后，类星体所发出的原本无法到达地球的光也转向了地球，这样就使得我们仿佛看到了两个相同的星体。 这一现象被称作“重力透镜”，天文学家们在双类星体之后又发现了三个相同的影像以及电弧状等多种影像形式。重力透镜发挥了类似透镜的功能，可以说是宇宙为我们准备的天然望远镜，它使得我们能够观察到遥远天体发出的光。 近年来，重力透镜被广泛应用在探索黑暗物质以及系外行星等活动中。 正文 第二十二节 泡沫宇宙 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:18:52 本章字数:461 第二十二节泡沫宇宙——宇宙的大规模构造 “宇宙的那一端究竟是什么样子呢？”为了回答这个问题，天文学界进行着“SDSS（sloandigitalskysurvey，斯隆数字太空探测）”等各种大规模的探测活动。 数以百千个星系集合在一起形成“星系群”或“星系团”。星系群和星系团在宇宙中并不是平均分布的，有些地方分布密集，有些地方则稀疏。有些星系群和星系团相连，便形成了超星系团。最近的太空探测结果表明，“超星系团”呈扁平的薄板状，如同万里长城一样蜿蜒绵长。 被数个超星系团所包围的中心，存在着直径为数亿光年的“超空洞”，这里几乎没有任何星系存在。各个超星系团和超空洞就像肥皂泡一样相互掺杂，构成了整个庞大的宇宙。 对星系集团进行大规模范围的探索从而绘制出宇宙空间地图，是了解宇宙整体构造的基本做法。137亿年前宇宙大爆炸时产生了一些物质及微小的能量波动，它们是如何成长并最终形成现在的宇宙的呢？宇宙空间地图将成为研究这一问题的重要资料。 正文 第二十三节 宇宙的黑暗时代 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:18:54 本章字数:689 第二十三节宇宙的黑暗时代——背景辐射与再电离 宇宙刚刚诞生的时候，是一个被光（能量）与物质紧紧包裹的高温高密度的火球，随着宇宙膨胀，这个火球的温度逐渐下降。在宇宙诞生大约40万年后，它的大小已达到1亿光年左右，当其温度下降到约为3000K左右时，之前呈电离态的氢元素（质子和电子）结合在一起，形成稳定的氢元素。氢元素的电离态不透光，而稳定态可以透光，这便是整个宇宙看上去清澈透明的原因，这种现象被称作“宇宙背景辐射”。 宇宙背景辐射发生的时候，广泛存在于整个宇宙的气体物质（大部分为氢元素气体）绝大多数都已处于稳定的未电离状态，只有少部分仍处于电离状态，天文学家们认为，这种状态的确一度存在过，然而现在存在于星系之中的稀薄气体却几乎全部被电离，基本不存在稳定态。这就表明，在宇宙背景辐射发生之后的某个时间，宇宙中的气体一定发生过再次电离，即“宇宙的再电离”。我们的宇宙时而稳定、时而电离，就这样一刻不停地成长着。 将处在稳定状态的氢元素气体电离为质子与电子，需要外部提供紫外线等能量。也就是说，宇宙再电离发生的时候，一定已经有星体或类星体等提供放射紫外线的能源存在。因此宇宙的再电离作为“天体形成的标志”，是宇宙历史上十分重要的事件之一。 然而成为稳定状态的氢元素气体虽然可以放射出稳定氢元素所有的电波（波长为21cm），但却很少发出电磁波信号。因此我们无法判断在宇宙背景辐射发生后到星体、星系大量形成之间的这段时间中有哪些事情在宇宙发生。这一时期被称为“宇宙的黑暗时代”。 正文 第二十四节 宇宙的灭亡与新生 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:18:56 本章字数:598 第二十四节宇宙的灭亡与新生——宇宙大爆炸和宇宙膨胀 天文学界认为，我们现在所居住的宇宙诞生于距今137亿年前。“宇宙大爆炸”一直被认为是宇宙时空的起源，它和时空诞生之后发生膨胀进而在存在的空间中发生的爆炸完全不同。 宇宙大爆炸学说认为：“最初的宇宙时空很小，在超高温和超高密度之下呈一个火球状，里面散布着大量质子和中子。随着时空的膨胀，物质逐渐冷却，核融合反应发生使得元素产生。最后这些物质再次汇聚，形成了星体和星系”。这一学说以相对论和原子核物理学等物理学理论为基础，并由以下几个具有说服力的事实作为佐证：⑴哈勃定律的提出，证明星系在离我们远去；⑵宇宙背景辐射现象的存在是宇宙曾处于高温火球状态的证据；⑶宇宙空间中的确存在氦元素等轻元素。 艾德温•哈勃于1929年发表的哈勃定律说明了星系距地球越远、远去的速度也就越快。如果以星系到地球的距离为r，星系后退的速度为v，那么这个事实用公式表达出来，就是：v=Hr，在这个法则中出现的“比例常数”H被叫做“哈勃常数”，表示宇宙膨胀的程度。也就是说，“哈勃常数”代表在1Mpc（326万光年）内星系向远处后退的速度（km/s）。根据哈勃望远镜对远方星系的探察和对Ia型超新星的观测，目前认为将哈勃常数的值定位于H=71km/s/Mpc左右最为合适。 正文 第二十五节 他们在何方？ 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:18:58 本章字数:683 第二十五节他们在何方？——有关地外生命的探索 在第一章的最后，让我们来讨论一下人类一直在探究的迷题。长期以来，人类一直想要了解地球以外的天体是否也存有生命形态。科学家们对宇宙中智慧生命即外星人的探索，被命名为“SETI（探索地外文明，SearchforExtraterrestrialIntelligence的简称）”。 1960年，天文学家在美国系弗吉尼亚州的格林班克天文台放置了一架26m射电望远镜，用于观测太阳附近的两颗与太阳条件相似的恒星（波江座　星、鲸鱼座　星），希望能够在这两颗恒星上观测到象征智慧生命存在的电波信号。这项行动被成为“奥兹玛”计划，是人类历史上第一次对外星生命的探测行动。从那以后，科学家们还曾于1974年在波多黎各的阿雷西沃天文台向外太空发射电波信号、并以寻找外星人为主要目的发射了开拓者探查器和旅行者探查器。人类从未停止寻找外星生命的脚步。 过去科学家们主要以电波作为探索地外文明的主要对象，最近由于光电探测器的探测水平提高，已经开始以可见光（opticallight）作为主要探测方法，即“OSET”。 遗憾的是，至今为止我们仍未找到足以证明外星生命存在的证据。但探究浩瀚宇宙之中的外星生命和研究宇宙的诞生及进化已经成为整个天文学界的最重要的两大课题。 从太阳系的起源到第二地球的寻找、伽马射线爆发、通向星系的道路、宇宙脉冲波背景辐射和宇宙的进化等等，在第二章之中，将由位于宇宙探索第一线的研究人员为你讲述有关宇宙的最新研究成果。 正文 第一节 太阳系最前沿（1） 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:19:00 本章字数:1415 第一节太阳系最前沿——尚不为人所知的太阳系 吉川真（宇宙航空研究开发机构/JAXA） 1.新大航海时代 宇宙仿佛是一个无边无际的巨大空间。这个巨大的空间里充满了人类对它的好奇与想象。宇宙中离我们最近的便是太阳系了，可以说太阳系是人类借助探测器所到达的第一块宇宙空间。虽说近，但太阳系包括地球、月亮、行星及行星周围的卫星、小行星、彗星以及边缘领域，还是十分庞大的领域。近几年来，随着观测技术的飞速进步，太阳系的概念也发生了巨大的变化。本节虽然旨在为大家介绍太阳系的最新状况，但在科技发展日新月异的今天，几乎每一分钟科学界都会有新的发现。如果本节中的介绍已经陈旧，还望各位海涵。 2.太阳系的边缘地带 为了配合最新的科学发现，本节就先从大家熟知的“行星”开始。原来的九大行星——水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星，它们的名字曾像咒语一样深入每个人的心里。但在2006年8月，行星世界中出现了一件前所未有的事：做了75年左右行星的冥王星正式被排除在行星的名单之外。 直到这时才有许多人发现：一直以来科学界对于行星都没有具体的定义。对我们来说，“行星”的存在太过寻常，以至于人们忘了给它一个准确的概念。或者不如说，“水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星”这一长串名字便是人们一直以来对行星的定义（图1-1）。然而，最近随着观测水平的提高，天文学家在冥王星附近又发现了许多小型天体。当然，既然说是小型天体，那些不计其数的小行星也就不足为奇了。可谁也没有想到，会在这一带发现一颗比冥王星还要大的小型天体。 在刚刚发现这颗比冥王星还要大的天体时，科学家们用小行星的命名方式将它命名为UB313（齐娜），当它的运转轨道也被确定下来之后，这颗星体被正式改名为厄里斯。它的直径为2400公里，比直径为2390公里的冥王星要大。这样就出现了一个问题，因为它比冥王星大，厄里斯的发现者主张将其列为第十大行星。这个提议原本无可厚非，但紧接着，科学家们又发现了几颗和冥王星相似大小的小型天体。那么如果承认厄里斯为第十大行星，那么十一大行星、十二大行星等等也会相继出现。如此一来，“大行星”的数量便会多得数不清。 2006年8月24日，世界上的众多天文学家聚集到国际天文学联合会总部捷克首都布拉格，就冥王星的问题展开了讨论，最终确定废除冥王星作为九大行星之一的身份。那么冥王星该何去何从呢？起初大家认为它应被归类在小行星之中，但从行星到小行星的称谓难免给人以“降低身份”的印象，于是大家决定创建矮行星这一新的分类，并以冥王星作为该分类的代表。 不管怎样，太阳系内产生这样大的变动，最主要的原因便是随着观测技术的进步，在海王星和冥王星的轨道附近以及更远的地方发现了许多新的天体。起初为了纪念预言这些天体存在的两位天文学家，这些天体被称为“艾吉沃斯•柯伊伯天体”，最近它们已经有了一个更加大众化的名字“太阳系外缘天体”。其分布图如图1-2所示。 太阳系外缘天体分布在聚太阳约30-50天文单位的空间里，但随着轨道直径长达1000天文单位的小行星陆续被发现，太阳系的范围也越来越大。而至于太阳系究竟有多大，这个问题仍有待我们进一步探索。 正文 第一节 太阳系最前沿（2） 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:19:01 本章字数:1627 3.小小世界 2005年9月12日，日本的小行星探测器“隼”经过2年零4个月在太阳系内的长途跋涉（发射时间为2003年5月9日），终于到达了小行星系川（确定编号25143）（图1-3）。 “隼”所探测的那颗小行星最大的特点就是直径只有535米。这是人类第一次对如此小的天体进行探测。说到对太阳系天体的探测，首先要提到的就是行星探测，目前太阳系的九大行星上都已经留下了探测器的足迹。对行星进行过探测之后，接下来就要轮到小行星和彗星了。大多数人认为，对于直径不过500米的天体似乎不必特意安排探测器去探测。日本可以说是钻了这个空子，但天文学家们一开始的打算并不是让“隼”去从事探测小行星的工作，只不过由于运载火箭及探测器自身的轨道变更能力有限，“隼”所能到达的天体范围也就缩小了。而系川恰巧处于“隼”的观测能力之内。但这次观测却意外地为行星科学研究带来了巨大收获，真可谓是“缘分天注定”。并且，“隼”还肩负着一个更具挑战性的任务——将系川的表面物质带回地球研究。 “隼”的着陆过程十分惊险，可谓九死一生，在这里不做详细讲述（大家可参照吉田武所著《隼：拥有不死之身的探测器及其宇宙探测故事》，幻冬舍出版），在这里有必要强调的一点是：虽然已有许多探测器对太阳系的天体做过探测，但“隼”还是头一个在探测之后还必须成功返回地球的探测器。“隼”已于2007年3月返回地球继续投入其他科学研究。 当小行星系川的样子展现在众人面前的时候，大家都吃了一惊。因为这颗小天体和我们之前想像的形态完全不同。从前提到小行星，人们便会想到覆盖在其表面的环形山，但放眼望去，在系川上却完全看不到环形山的存在（图1-4）。取代环形山的是无数大小不一的块状岩石，这一发现在世界的行星探索领域中是史无前例的。 如图1-4所示，系川的样子和我们印象中小行星的样子有很大不同，它的表面几乎全被岩石块所覆盖，只有一小部分较为平整。探测表明，平整地区的地表成分主要由直径不足1厘米的碎石子构成，根据系川的整体形状，经常有人把其比喻做海獭，在这只海獭的头部有一块地方很平整（负责指挥“隼”行动的工作小组将这一地带命名为“缪斯之海”，它的正式名称为“缪斯-C”，英语中C的发音和“sea”相同），这里就是“隼”预计着陆的位置。 有关系川，我们现在所了解到的是其表面由近似密度3.2g/cm3的球粒陨石所构成，但检测表明其实际密度仅为1.9g/cm3。也就是说，系川并不是由实心的陨石构成的，它的内部很可能有一个很大的空洞，或者本身是一个类似“砖瓦结合体”一样的物体。这一发现对于研究这类小型天体的形成有极为重要的意义。图1-5为目前天文学家们想象得出的系川形成示意图，其具体形成过程尚有待进一步研究。 小行星系川距地球也很近，甚至有与地球相撞的可能。可能与地球相撞的天体还有许多，因此从空间防御的角度来讲，了解系川的信息对于人类也十分重要。 4.引人注目的太阳系小星体 人们关注的不只是系川。最近天文学家们正在着力于一系列针对太阳系小天体的任务。2000年，美国的休梅克号探测器到达厄洛斯行星，绕其公转约1年，对其进行了详细的观测（图1-6）。最后虽然出乎意料地在厄洛斯行星的表面着陆，美国也因此得到第一次在小行星表面着陆的殊荣，可厄洛斯行星的直径约为38km，其着陆难度是完全无法与在系川上着陆的“隼”相提并论的。 2004年1月，美国的星尘探测器从维尔特二号彗星身边经过，成功捕获到彗星释放出的尘埃粒子并于2006年1月返回地球（图1-7）。通过对尘埃的分析，天文学家发现其中含有通常被认为在低温星际云中所形成的有机物质以及在2000°C以上的高温状态下才能形成的矿物质。这些资料对于研究彗星的起源有着很大价值。 正文 第一节 太阳系最前沿（3） 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:19:03 本章字数:1291 紧接着，在2005年7月，美国的深度撞击号探测器按照预定程序与坦普尔一号彗星相撞。该探测器分为两部分：一部分用于与彗星相撞；另一部分用于记录相撞时的情况。这样，第一部分在与彗星相撞之前能够将观测到的画面时刻传送回地球；第二部分则可以记录下相撞开始至结束的整个过程（图1-8）。除此之外，地球上的天文台以及轨道望远镜也对此进行了观测。目前科学家们正在分析各种观测结果，以便对彗星的构成以及其内部构造进行进一步研究。 同年9月，“隼”向地球送回了系川的图像。在这几年之中，人类对太阳系小天体的认识飞速增长，并且从今往后也将会有更多研究面向这些小天体。日本也一直在考虑发射“隼”的第二号探测器，欧洲与美国的研究者也不断提出新的构想。甚至在美国，发射载人探测器探索一系列小行星的计划已经提到了日程上。图1-9为上述小行星的分布图。 5.行星同样不可忽视 在前半部分，我们谈到了有关太阳系小天体的探测，其实科学家们对行星的探测也从未停止过。非但没有停止，随着探测水平的提高，对行星的探测已经越来越深入。其中最为成功的便是卡西尼土星探测器对土星的探测以及其他探测器对火星的几次探测。 卡西尼土星探测器是1997年美国与欧洲共同发射的，经过7年旅程终于在2004年到达了土星。在探测期间，卡西尼探测器不但为我们拍摄了许多土星及其美丽光环的照片（图1-10），通过飞行中与许多颗土星的卫星擦肩，还向我们展示了土星卫星绝不亚于系川小行星的奇特风貌。图1-11便是作为土星卫星之一的海伯利安，与系川相反，它的表面被环形山所覆盖。 关于卡西尼土星探测器的探测，最值得一提的便是2005年1月它在卫星泰坦表面的着陆。泰坦有很厚的大气层，但通过观测发现它被大气覆盖的表面似乎有河流及湖泊存在（图1-12）。由于泰坦的表面温度为-180°C，因此在这颗卫星上肯定不会存在液态水。如果在这样的温度环境下存在液体的话，则应该是甲烷或乙烷。难道在泰坦上会有甲烷或乙烷降雨并形成河流及湖泊么？虽然这个谜团尚未解开，但可以确定的是泰坦和地球的环境完全不同。 下一节要谈谈火星。不过在讲述火星之前，让我们先来看看一些正在进行的其它一些探测。首先是对金星的探测，欧洲已于2006年发射金星快车探测器，主要探测金星大气，并大量拍摄大气活动的照片。其次是有关水星，2004年美国发射的信使号探测器预计将于2011年到达水星。同样，中国也计划对火星进行探测，2009年10月，中俄将联合向火星发射“荧火一号”火星探测器。 日本也计划对金星和水星进行探测，并准备于2010年独立向金星发射一枚探测器，探测任务已定名为PLANET-C。探测器预计将于半年内到达探测位置并开始观测。水星方面，日本准备与欧洲合作，进行名为BepiColombo的探测任务。日本与欧洲各有一枚探测器，发射升空的时候二者捆绑在一起，但到达水星以后便分头行动，在水星周围自行探查。预计于2013年左右发射探测器，约经6年到达水星。 正文 第一节 太阳系最前沿（4） 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:19:05 本章字数:1569 地球的近邻们在今后也将陆续成为科学家们的探索对象。其实，1974年至1975年，美国的“水手十号”探测器曾三次飞掠水星，但却没有带回大量具有研究价值的水星照片。对于水星，我们的了解还很少。另一方面，由于金星本身的自转周期很慢，约为243天，但环绕金星的大气却大概4天就可以绕其一周。这大约相当于公转周期为1天的地球只用30分钟不到就完成一次大气环流。金星这种超高速的大气环流被称作“金星超级大气环流”，其环流结构对我们来说依然是一个迷，对于行星的气象研究也十分重要。 还有一件大事不得不提，那就是美国于2006年为探测冥王星发射了“新地平线”号飞船。冥王星虽然已被归于矮行星，不再属于行星范围之内，但它作为在太阳系诞生初期形成的星体，依然有着极为重要的研究价值。“新地平线”号飞船计划于2015年到达冥王星，让我们一起期待它带来新的消息。 6.探索生命的主要一站：火星 接下来就要开始讲述有关火星的探测情况了。近年来人类进行探测活动最频繁的天体就是火星。从20世纪90年代后半期开始至今，光是数数美国发射的探测器，就有火星环球勘探者（图1-13，1996年发射）、火星探路者（1996年发射）、火星气象探测器（1998年发射，但进入火星轨道时与地面失去联系）、火星极地着陆者（1999年发射，但着陆失败）、火星奥德赛（2001年发射）、火星探路者（包括勇气号和机遇号，均于2003年发射）、火星勘测轨道飞行器（2005年发射）等8枚之多（其中两枚失败）。日本也于1998年发射了“希望”号火星探测器，但由于中途发生故障，最终于2003年放弃进入火星轨道。欧洲方面，2003年发射的火星快车号探测器虽然成功进入火星轨道，但在着陆时失败。今后，人类对于火星的探测还将继续进行。 火星受到天文学家青睐的原因主要有以下几点：第一，火星表面曾被认为有液体水存在的可能，因此人类一直对火星上是否存在生命体十分好奇，而地外生命的存在与否一直被列为宇宙探索的一大目标。如果在火星上发现生命体的存在，无论其生命形式与地球上的生物体征相似与否，都将与生命的起源以及探索生命本质等课题直接相关，对科学界将会是一个极大的冲击。 另一个原因是天文学家一直想要在火星上实现载人探测。20世纪60年代的阿波罗登月计划使得人类登上了月球，从那以后天文学界对于月球的研究虽然有所减少，却还是决定在月球建造供人类进行长期观测的宇宙空间基地，我们希望能够在月亮上迈出人类继宇宙空间站探索之后的下一步。在成功实现载人登月后，紧接着要实现的便是通往火星的载人飞行（不过根据目前情况，通往小行星的载人飞行有可能先火星一步实现）。 频繁的火星探测已使我们对于火星的基本情况有了较为详细的了解。人类不仅在火星的表面发现了曾有水流经过所形成的地形，最近的探测还发现了怀疑是近期流水作用所形成的地形，引起了许多人的关注。图1-13是火星环球勘探者拍摄的照片，图中显示了火星表面6年之中的变化。如果这里曾经有过水流，那么便可推断在火星的地下至今仍然有水存在。现在，有两辆探测车正在火星表面进行仔细的探测（图1-14），今后的探索任务又将从火星表面向火星地下转移。 关于火星探索，日本感到最遗憾的便是前面提到的“希望”号火星探测器。“希望”号所执行的是日本第一个行星探测任务，但它于1998年发射升空后，不断出现故障，虽然于2003年12月接近了火星，但最终还是没能进入火星运转轨道，探测任务宣告失败，现在的“希望”号只能沿着与火星近似的轨道路线围绕太阳孤独地旋转。但我们也从“希望”号的失败之中吸取了许多教训，这些都为日本发射第二枚探测器“隼”提供了宝贵的经验。 正文 第一节 太阳系最前沿（5） 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:19:08 本章字数:1147 7.再次造访月球 在本节的结尾，让我们再来看看离地球最近的天体——月亮。作为人类除了地球之外唯一在其表面留下脚印的天体，以及除了宇宙空间站以外围绕地球旋转的天体中人类唯一能够自由出入的天体，它的存在似乎比行星更得到人们的认可。这也是它近期再次受到人们关注的原因。 20世纪60年代，阿波罗计划的成功标志着人类成功登月。由于已经对月球的表面有了一定程度的了解，人类将目光放在了更遥远的地方。在那之后的很长一段时间里，月球都不再作为天文学家所探测的主要对象。但到了最近几年，对月球的探测又进入了一个新的阶段。比如美国继1994年发射克莱门汀探测器之后，又于1998年发射了“月球勘探者”，这两枚探测器相继进入月亮的轨道进行探测工作。欧洲则于2003年发射了第一枚月球探测器“智慧1号”，这枚探测器已于2006年9月完成了探测任务，并执行了撞击月球表面的最终命令。 但或许你并不知道，日本的月球探测器早已于这些探测器之前被发射上空。1990年日本发射了“飞天”号卫星，利用行星重力实现了绕行星变轨（Swing-by）技术，并成功地在月球运转轨道中投入卫星。圆满完成任务的“飞天”号最后也与月面相撞，寿终正寝。 日本已于2007年发射了一枚探测器“月亮女神号”。跟它的名字一样，“月亮女神”是一枚专为探月所的探测卫星，它携带有14种科学观测仪器，将对月球的元素、矿物质分布、地形与表层构造、重力分布、磁场分布以及环境等进行全面的高精度探测。科学家们希望这次探测活动可以对月球的起源和进化有进一步地了解（图1-15）。 除了日本之外，中国、印度、美国也于近几年相继发射了探测器。中国的“嫦娥一号”探测器也于2007年发射升空，印度于2008年发射“月球飞船一号”，美国也于2008年发射“月球勘测轨道飞行器（LRO）”。现在的天文学界可以说进入了“探月热”，在进行物理观测的同时，也在为今后的载人登月做准备。预计人类再次做好准备登月，大概要在2010年到2020年之间了。 8.人类的活动场——太阳系 到此为止，我们已经了解到了以行星探测为主要任务的太阳系探测最新情况。太阳系中所有能够到达的地方都已经留下了探测器的足迹，这也可以算是一件了不起的事情。当然除了发射探测器，从地球进行观测以及通过人造卫星进行观测的方法也被广泛应用，并取得了丰硕的成果（图1-16）。冥王星不属于行星这一结果也是通过地球上的观测得知的。今后，随着宇宙探测与地面观测的进一步结合，我们对太阳系的了解一定会越来越深，相信人类在整个太阳系自由来去也将是在不久的将来便可实现的事情。 正文 第二节 太阳系起源论的最前沿（1） 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:19:10 本章字数:1276 第二节太阳系起源论的最前沿 ——太阳系诞生的新故事 小久保英一郎（国立天文台） 1.太阳系的起源之谜 按照离太阳的远近距离，太阳系的八大行星分别是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。它们大小不同，性质各异。要一下子弄清楚这些行星的特征和起源还真不是一件容易的事。目前，一般认为太阳系是由宇宙空间中漂浮的气体和灰尘（固体微粒）所构成的。经过了数十亿年，横跨了数十个天文单位，从气体、灰尘到行星，构成行星的粒子形态也从微米到数万千米，太阳系的形成与进化是一个漫长的故事。 在历史上，康德、拉普拉斯和金斯就曾经研究过太阳系的起源，但现代天文学之中有关太阳系形成的基础理论则是在20世纪后半叶在前苏联的萨弗隆诺夫和京都大学的林研究室确立的，研究者希望通过对天文现象的研究从理论上来解释实际观测中无法涉及的行星系形成的过程。在这之后，也有许多研究人员试图建立更加自然的太阳系形成模式。特别是最近利用超级计算机进行的大规模模拟实验，在计算机中重现了原始太阳系的情况，通过实验对行星系的形成过程进行研究，收到了显著的效果。本章就将向大家介绍有关太阳系形成的最新研究成果。 2.行星的种类和太阳系的构造 在讲述太阳系起源之前，让我们先对太阳系目前的特征有一个基本的了解，这对于研究太阳系的起源有很大帮助。 太阳系的行星由内向外分为地球型行星（岩石行星）、木星型行星（巨大气体行星）和天王星型行星（巨大冰行星）三种（图2-1、图2-2、表2-1）。水星、金星、地球、火星为“地球型行星”，表面由岩石构成。木星和土星为“木星型行星”，表面成分基本为气体。气体的主要成分为氢元素和氦元素。天王星和海王星曾经被归为木星型行星一类，但现在又被重新划分为“天王星型行星”。天王星型行星上的气体成分尚不足其总质量的10%，主要由冰（水、甲烷、氨为主要成分的混合物质）构成。冥王星已于2006年被排除出行星名单，成为在太阳系外部边缘之中大量存在的“太阳系外缘天体”之一。除了太阳系外缘天体，在太阳系中还有小行星及彗星等无数小型天体。 行星的轨道有一个共同的特征：轨道形状近于圆形，轨道离心率大多在0.1以下。并且各行星的轨道面大致相同，与太阳系不变面（根据行星的公转等计算出的太阳系基准平面）之间的轨道倾角基本在6°以下。也就是说行星的轨道几乎在同一平面上，可以看作是一个以太阳为中心的同心圆（图2-2）。并且所有行星在轨道上都向同一方向进行公转。 此外，行星的总质量不足太阳质量的千分之一。木星型行星在行星总质量中占据很大比重。另一方面，行星的轨道角运动量大小为太阳自转角运动量的190倍左右。也就是说太阳系的质量集中在太阳上，轨道角运动量则集中在行星上。 总体来说，太阳系的行星系构造如图2-2所示。有了这些太阳系的知识背景作为基础，能够说服大家的太阳系起源学说究竟是怎样的呢？ 正文 第二节 太阳系起源论的最前沿（2） 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:19:11 本章字数:1251 3.太阳系形成的主流学说 目前有关太阳系形成的两大基本概念是： ⑴与中心星相比，行星系质量很小，由气体和尘埃形成的行星圆盘构成； ⑵尘埃首先堆积成为微行星，微行星相互结集成为固体行星。固体行星吸收气体，成为气体行星。 从太阳系的质量集中在太阳上、轨道角运动量集中在行星上，以及行星轨道面基本处于同一平面这些理论可推测出概念⑴。另外，根据所有的地球型行星和天王星型行星，甚至木星型行星的重元素（译者注：除去氢和氦以外的所有元素）比重均比太阳的重元素比重大这一事实，也可得出概念⑵。 图2-3为原始太阳系圆盘形成太阳系的概念图。准确地说，接近太阳系内侧的行星形成速度较太阳系外侧的行星形成速度快，但在此图中，为了便于观察，已将行星的形成速度调整为同步。在深入了解细节之前，让我们先粗略地了解一下太阳系形成的大致步骤。 ⑴在原始太阳周围，气体与尘埃形成了原始太阳系圆盘; ⑵尘埃堆积，形成微行星; ⑶微行星相互碰撞，形成原始行星; ⑷原始行星相互碰撞，形成地球型行星。另一部分被原始太阳系圆盘之中的气体缠绕，吸收气体后成为木星型行星和天王星型行星。 接下来将给大家介绍为太阳系形成提供必要条件的原始太阳系圆盘，并将按照太阳系形成的先后顺序逐一进行讲解。 4.第一阶段：原始太阳系圆盘 “原始太阳系圆盘”是太阳形成时一并产生的星际圆盘。恒星通常是由于星云的自身重力作用收缩形成的。星云由太阳出现之前的恒星合成，包含了这颗恒星发生爆炸时放射出的重元素尘埃。在星云收缩时依然保留了原来的轨道角运动量，于是就形成了围绕中心星旋转的圆盘。 原始太阳系圆盘的标准模型被称作“最小质量圆盘模型”。其中含有目前太阳系的部分固体成分，尘埃的数量分布与距太阳的距离的乘方成比例关系，气体成分约为同一区域尘埃成分的100倍左右（图2-4）。原始太阳系圆盘存在的时候，尘埃与气体面密度（每单位面积的质量）之间的比例公式为它与太阳距离的-3/2。星云之中，气体与尘埃的质量比通常为100。在这个最小质量圆盘模型之中，圆盘的总质量大概是太阳质量的百分之一。 气体的主要成分为氢元素和氦元素。雪线内侧尘埃的成分主要是岩石；雪线外侧尘埃的主要成分则为冰（图2-5）。这里所说的雪线是圆盘内温度达到液态水凝结温度（约为绝对温度179℃）的地方，按照标准模型则位于距太阳大约3AU的位置（AU是天文单位中的一种，1AU约为1亿5千万km）。雪线以内，由于距太阳近，圆盘温度较高，因而没有冰的存在。而在雪线以外由于有冰，因此尘埃的成分也随之增加。在本章的后半部分你会发现，这种由距太阳远近不同而产生的尘埃构成情况的差异，对于不同种行星例如岩石行星、球型行星与巨大冰行星、天王星型行星的构成有着很大影响。 正文 第二节 太阳系起源论的最前沿（3） 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:19:13 本章字数:1396 20世纪80年代以后，观测技术的进步使得人们在许多年轻星体的周围发现了与标准模型情况接近的原始行星系圆盘（图2-6）。 5.第二阶段：尘埃构成微行星 原始太阳系圆盘之中的尘埃形成微行星，微行星可以说是固体行星的原材料。尘埃在碰撞中相互结合，逐渐变大。直径达到数千米以上的块状尘埃便被称为“微行星”。 目前，天文学界对于尘埃形成微行星的原因，主要存在两种看法：一是尘埃层的重力不稳定；二则是尘埃具有可以阶段性地黏着聚集的特性。在这里主要向大家介绍更具权威性的第一种看法（如图2-7，有关尘埃的黏着特性将在后半部分说明）。 灰尘受太阳重力的垂直成分牵引在原始太阳系圆盘的中心面聚集，形成尘埃层。随着圆盘内气体的湍流现象减弱，尘埃不断附着在尘埃层上，使得尘埃层的密度增大。当其密度超过一个临界值以后，保持尘埃层自身状态的重力在旋转及随机运动（可视同于压力作用）等作用的影响下也有可能出现四分五裂。结果导致尘埃层自身的重力变得不稳定，密度大的部分会成长得越来越快，进而分裂成许多尘埃块。这些分裂之后的尘埃层发生收缩，最终形成微行星。 在这种重力不稳定的情况下，微行星的质量通过简单的检测和估算，大约在1015kg～1018kg左右，大小为几千米到几万米不等。整个太阳系中大概有数百亿颗微行星，它们的组成均反映了灰尘的本质，在雪线内侧表现为岩石质，在外侧则为冰质（图2-8）。太阳系中主要的微行星大约形成于圆盘气流的湍流现象减退的时候（大约数十万年左右）。 尘埃围绕太阳进行公转，并受太阳重力的垂直成分影响向圆盘的中心面处移动。同时又受到来自气流的阻力影响，以螺旋方式接近太阳表面。不过当这些尘埃成长为微行星以后，气体施加的阻力影响也逐渐变小，因此不必担心微行星会掉到太阳里面去。 现在的太阳系中依然有微行星的存在。位于太阳系边缘的彗星和太阳系外缘天体被认为是残存至今的微行星。 6.第三阶段：从微行星到原始行星 在微行星围绕太阳旋转的过程中，有时会与另一颗微行星相互碰撞继而合为一颗较大的微行星。这个过程被称为“行星吸积过程”，是形成行星系基本构造的一大重要环节。 ①微行星的运动 行星吸积的进行方式由微行星的运动方式决定。微行星的运动受到太阳重力、微行星之间的相互重力、圆盘气体施加的阻力、微行星之间的撞击等多方面的影响。受到来自太阳重力的影响，微行星一般做开普勒运动。刚刚形成的微行星基本都位于太阳附近的同一平面（原始太阳系圆盘的中心平面）内绕太阳公转，轨道基本为圆形。 微行星的轨道受微行星之间的“重力散射”重力作用的影响，渐渐偏离了最初的轨道面。这便使得开普勒运动的轨道离心率以及轨道倾斜角的值增加。另外，微行星之间的重力作用还有一个重要的特性。这个特性被称作“力学摩擦”，即当质量小的粒子和大的粒子同时存在时，质量越大的粒子随机速度越小（向中心面的圆轨道接近）。 另一方面，气流阻力和微行星之间的碰撞主要起到降低随机速度的作用。这些作用与重力散射作用共同起到平衡随机速度的效果，使得行星吸积不断进行。随机速度对于微行星之间的相对速度以及行星的成长模式与形成时间有决定性的影响。 正文 第二节 太阳系起源论的最前沿（4） 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:19:15 本章字数:1416 ②微行星的飞速成长 一般来说，大量粒子集中在一起时，行星成长的模式大致可以分为两种（图2-9）：一种是所有粒子都以相同速度变大，被称为“有秩序地成长”；另一种则是粒子体积越大成长速度越快的形式，被称作“飞速成长”。这两种成长模式决定着粒子之间的冲撞结合概率（成长率）影响粒子质量与速度的程度。 模拟实验表明，刚刚形成的微行星系成长速度十分迅速。也就是说，在微行星系中，质量大的微行星会比在它周围的其他微行星的膨胀速度都要快。这是因为微行星的质量越重，重力作用便越强，从而能够更加广泛地吸引其他微行星的靠近。这一作用被称作“重力牵引（重力聚集）”（图2-10）。 ③原始行星的垄断性成长 上面提到的那些星体以垄断性的方式成长着，逐渐成为“原始行星”。原始行星并不会一直持续上述垄断性成长，当它达到足够大小以后，便会受制于来自周围微行星的重力散射，随机速度增大，重力牵引的效果随之降低，原始行星便难以继续快速成长，转而改为有序成长。由此可见，当微行星增大到一定程度以后，大小就已基本确定。 这一阶段原始行星之间的间隔是怎样产生的呢？原始行星的轨道间隔由轨道反作用力决定。轨道反作用力是原始行星之间的重力散射与来自微行星的力学摩擦相互作用之后的作用力。原始行星之间的重力散射使得原始行星的轨道间隔扩大，同时加大了轨道离心率。轨道离心率受到重力散射，变得比来自微行星的力学摩擦要小。这便导致所有的原始行星在保持圆形轨道的同时增大了彼此之间的轨道间隔。轨道间隔经由轨道反作用力的作用之后，扩大为希尔半径的十倍左右。这里所说的“希尔半径”以原始行星做轨道运动时重力范围的大小为大致范围，数值大小约为原始行星质量三分之一的平方与该原始行星和太阳之间的距离之比。 进入原始行星状态之后，星体开始转为有序成长。与此同时，受到周围原始行星的轨道反作用力，大小相似的原始行星轨道之间便逐渐产生一定间隔。由于希尔半径与星体质量三分之一的平方成正比，半径值也会随原始行星的增大而增加。可以说，原始行星在轨道间隔不断扩大的同时，通过偶然发生的星体间碰撞与其他星体相结合逐渐成长。这一成长方式被称作“原始行星的垄断性成长”。所谓的“垄断”，是由于在成长过程中占据优势的原始行星通常不是一个，而是成批的。这种垄断性成长方式也是经过模拟实验推算发现的。 了解了原始行星轨道间隔的形成方式，便可以利用原始太阳系圆盘中所含尘埃的面密度推算出原始行星的质量。假定小行星形成于自身轨道的环状区域之中，并逐渐成长为原始行星。按照原始太阳系圆盘的模式标准，用星体的轨道间隔为希尔半径的十倍时原始行星的质量与它与太阳之间距离的四分之三的乘方相比，那么星体成长所需的时间约为它与太阳之间距离的三倍乘方（图2-11、2-12）。也就是说，距太阳越远的原始行星，完成成长过程所需的时间也就越长。另外，轨道间隔与希尔半径成正比，也就意味着原始行星距太阳越远，轨道间隔也就越大。这一推断与太阳系的实际情况相符。 并且，作为原始行星构成成分的小行星，其位于雪线内侧者为岩石质，外侧者为冰质（图2-13）。举例来说，地球、木星、天王星原始行星的质量分别为1024kg、3×1025kg、8×1025kg，而成长时间则分别为70万年、4千万年、2亿年。 正文 第二节 太阳系起源论的最前沿（5） 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:19:17 本章字数:1513 7.第四阶段：从原始行星到行星 太阳系形成的最后一个步骤，是原始行星成长为行星。在本节当中你将会了解在太阳系的不同位置，分别可以形成怎样的行星。接下来按照地球型行星、木星型行星、天王星型行星的顺序了解一下行星的形成步骤。 ①行星的分布方式 在讨论这个问题之前要先对木星型行星做一些说明。星体从原始太阳系圆盘之中获取气体都要依靠原始行星的重力作用，但木星型行星的形成还必须具备以下两项必要条件（图2-14）： ⑴气体降落到原始行星上所需的时间应比气体星盘的寿命短； ⑵原始行星的成长时间应比气体圆盘的寿命短。 以上两项条件中每一项的时间长短都取决于原始行星的质量，星体质量越大，气体降落所需的时间也就越短，星体质量越小，气体降落所需时间也就越长。而原始行星的质量和成长时间则取决于它与太阳之间的距离。在上一节中我们提到过，按照原始太阳系圆盘的标准模式，原始行星的质量大小与其形成的时间长短是与它距离太阳的长短成正比的。因此条件⑴决定了要形成木星型行星的星体距太阳的最小距离，条件⑵则决定了同样条件下星体距离太阳的最大距离。也就是说，只有当条件⑴与条件⑵同时得到满足的时候，才会形成木星型行星（图2-15）。而在木星型行星的内侧和外侧，则分布有较木星型行星质量小的地球型行星与形成时间较木星型行星长的天王星型行星。 按照原始太阳系圆盘的标准模式，以原始行星的轨道间隔作为十个希尔半径，将气体圆盘的寿命最大值看作1亿年，引用最新测定出的气体降落时间（约为其质量的-5/2例关系），则可推算出地球型行星在雪线内侧，木星型行星分布在距雪线约10AU的位置，天王星型行星则分布在距雪线10AU以外。这一推算向我们再现了太阳系之中行星的分布方式。用这样的方法来分析雪线、原始行星的垄断性成长及木星型行星的形成条件，便可以自然地说明太阳系由内向外分布着地球型、木星型、天王星型行星的原因。 ②地球型行星 读图2-11，可以发现金星等地球型行星的原始行星的大小与火星的大小相类似。这就表明，原始行星最终形成行星还需一定时间的累计，即原始行星之间的碰撞、结合过程。也就是说，地球型行星形成的最后一个步骤是空间中余下的微行星聚集在一起，和原始行星发生剧烈的碰撞（目前认为水星、火星等行星是在巨大碰撞的阶段中余下的原始行星）。经过垄断性成长形成的原始行星系在很长一段时间里都属于不稳定的状态，其原因可认为是原始行星彼此间的重力作用，或来自木星型行星的重力作用。 在地球型行星的区域范围内，每经过数千万年到数亿年，便有一定数量的原始行星成长为行星。由于在行星形成时发生剧烈的碰撞，因此在行星形成的初期，行星的轨道离心率及轨道倾角均比现在大十倍左右。这样大的轨道离心率和轨道倾角使得地球型行星对来自残留的气体圆盘和小行星的气体反作用力与摩擦力减小，与原始行星系几乎处于同一圆形轨道平面内。地球型行星自转的初始状态则由剧烈碰撞所带来的角运动量决定。 ③木星型行星 在木星型行星的区域范围内形成的原始行星大多质量较大，这是由于这个区域处于雪线以外，大量的冰使得星体本身所含尘埃数量增多；再加上距太阳较远，重力圈即希尔半径较大，可以吸引更多微行星的聚集，这样一来原始行星就成为了木星型行星的固体核。原始行星的质量必须在地球质量的数倍甚至十倍以上，才能保证气体在气体圆盘的寿命范围之内完成吸积。从图2-11中可知，木星型行星区域内的原始行星在质量上满足上述条件。 正文 第二节 太阳系起源论的最前沿（6） 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:19:19 本章字数:1294 那么，大概会有多少气体降落在固体核上呢？这要由行星（固体核+气体）重力圈（希尔半径）的大小来决定。在希尔半径范围内气体受到行星的重力影响降落在行星表面。如此可以推算出，落向行星的气体总质量约等于在原始太阳系圆盘中半径为希尔半径的圆截面上呈轮胎状区域的气体总质量。使用原始太阳系圆盘的标准模式推算在木星附近的气体质量，从而估算此位置的行星质量大约为太阳质量的千分之一，这与实际测得的行星质量大致相同。只不过现在土星的气体质量比估算的结果要少数倍。 木星和土星的区别可以利用原始太阳系圆盘气体的消失来说明。观察原始行星系圆盘可推知气体圆盘的寿命约为数千万年。在标准模式下，原始行星距离太阳越远，成长时间就越长。由于木星的固体核形成的时候气体圆盘还完好无缺，因此环绕木星的气体值比估算值还要多许多。但在土星的固体核形成的时候气体圆盘已经逐渐消失，于是土星所包含的气体则要少很多。 木星型行星的轨道间隔是希尔半径的十倍左右，目前认为，这类行星在吸引着周围的气体的同时，轨道反作用力也对其进行作用。它们的自转状态则由气体降落时行星的角运动量决定。 ④天王星型行星 如果只参考图2-11中所示的行星质量，处在天王星型行星范围内的原始行星是可以吸引气体的。但当这个范围内的原始行星形成的时候，气体圆盘已经几乎消失殆尽，这些原始行星便很难再吸引气体了。可以说，天王星型行星是没能形成木星型行星的原始行星。实际上在这一领域中，还处于垄断性成长阶段的原始行星的质量和轨道间隔（希尔半径的十倍左右）就已经和现在天王星型行星的质量和轨道间隔几乎相同了。 不过，如果使用原始太阳系圆盘的标准模式来进行模拟实验，那么海王星的出现便会比整个太阳系还要早，这是在分析天王星型行星形成过程中的一个尚未得到解决的问题。 天文学家们对此提出了许多不同的看法，目前有一种看法认为海王星原本距离太阳的位置比现在要近，但在形成后受到木星型行星的重力影响，移动到了现在的位置上。这种看法也可以解释现在太阳系外缘天体的轨道分布状况。 8.银河系行星系形成论概述 通过以上的说明，想必大家对由尘埃形成小行星、原始行星，最终形成行星的整个进化过程已经有了一个初步的了解。目前认为，行星是原始太阳系圆盘在进化之中必然出现的物质，行星系的基本构造由原始太阳系圆盘的质量及分布、温度构造和气体圆盘的寿命所共同决定。 太阳系的形成学说目前已被绝大多数人认可。不过，它所描述的只是通过模拟实验所得知的太阳系大致形成过程，其中还有许多不完备的地方。下面着重向大家讲述该学说尚未解决的问题。 首先是作为学说理论基础的小行星的形成方式尚未被完全确定。上面所介绍的重力不稳定等学说是以湍流程度微弱的原始太阳系圆盘作为基础。但当圆盘内出现强烈的湍流运动时，尘埃层可能达不到临界密度时的稀薄程度。虽然跨越了从　m到km这九个跨度，但也无法确定尘埃层是否在太阳落山前就形成了。 正文 第二节 太阳系起源论的最前沿（7） 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:19:21 本章字数:796 另外一个没有弄明白的问题就是原始太阳系圆盘的气体圆盘究竟是如何消失的。虽然有学者认为原始太阳放射的强烈的紫外线和太阳风（高速荷电粒子流）将构成小行星的气体吹散到空间之中，但目前尚未证明紫外线和太阳风能否起到上述作用。到现在为止天文学家一直认为，木星型行星的形成多少会对其内侧的气体圆盘产生重力影响，使其向太阳中心倾斜。这个谜团要等到发明了超大型地面望远镜或宇宙望远镜以后，当人类能够亲眼目睹行星系形成的过程时才能水落石出（图2-16）。 更重要的一个问题便是行星在太阳系的移动方式。前面向大家介绍的学说中，默认了行星是由其所在位置附近的小行星聚集形成并逐渐稳定的，但最近的研究表明，在与气体圆盘的相互作用力下，原始行星、行星等星体有在太阳系内发生大规模位移的可能性。如果原始行星及行星的确能够进行大规模位移，那便意味着太阳系形成的学说有必要改写。除此以外，还有有关小行星及彗星等小天体的起源等等一系列的问题尚未得到明确的答案。 现在研究人员正在不断探索着有关这些问题的答案，并将研究对象的范围扩展到太阳系以外的行星系。行星系不仅仅只存在于太阳系之中，至2007年春天，科学家已发现在太阳附近的200多颗太阳型恒星都拥有行星系（被称为系外型星系）。并且这些行星系大多都和太阳系有很大差别。被发现的系外行星的质量多半都比木星还要大，但它们的轨道长半径却比水星的轨道长半径还要小，轨道离心率则像彗星一样大。那么这些系外行星系究竟是如何诞生的呢？它们的诞生方式和太阳系又有哪些不同呢？为了能够说明这些与太阳系有着巨大差别的系外行星系的起源，同时也将太阳系的起源过程一般化，当前我们需要做的是构建一个“银河系行星系形成概论”。在完成这个任务的过程中，我们将逐渐探明太阳系在银河系中究竟是一个怎样的星系，也将真正踏上寻找“第二地球”的宇宙之旅。 正文 第三节 系外行星最前沿（1） 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:19:23 本章字数:1518 第三节系外行星最前沿——寻找第二地球 田村元秀（国立天文台） 1.行星探索 行星是与人类相距最近的天体。日本自古以来就以行星的名字作为周一～周日的名称，而在2006年8月，冥王星被排除在九大行星之外的消息，也在社会上引起了超乎预料的反响（图3-1）。但你想必并不会知道，虽然太阳系中现在只有八大行星，但人类在太阳系外发现的行星数量已达到了太阳系内行星数量的25倍以上。这些行星中的绝大多数都是在近十年间，人类发现行星存在的重要性以及它在宇宙空间之中的作用之后陆续被发现的，它们被称作太阳系外行星或“系外行星”。天文学家们的下一个目标便是在它们当中寻找出和地球相似的行星，将其收入太阳系的行星范围之中（直接检验系外行星），进而寻找行星上的生命踪迹，也就是检验这颗行星究竟是不是我们所要寻找的“第二地球”。本章就将主要为您讲述：系外行星的探索情况、系外行星令人吃惊的性质以及未来的行星探索计划。 2.系外行星发现前夜 对系外行星的探索并不是近几年才兴起的事。20世纪中叶，美国的范德坎普通过细致的观测后发表了一篇报告，认为在除太阳和南门二丙星之外距地球最近的恒星“巴纳德星”附近有两颗类似木星的行星在围绕它旋转。这颗系外行星的发现让人们大吃一惊，那段时间连教科书里都收录了它的影像。 然而在十几年之后，又有其他的观测小组认为范德坎普的这一观测结果是错误的。现在看来，依靠当时的技术及观测精度，是无法准确检测出系外行星的具体位置的。到了20世纪后半期，观测方法变得愈发多样化，才为发现系外行星提供了较为成熟的技术保证。但在人类发现真正的系外行星之前，还是经历了许多波折。其中一个代表性的事件就是1992年天文学家们曾宣布在室女座毫秒脉冲星PSR1257+12附近发现了两颗围绕其旋转的天体，并且质量和地球相当。但由于这两颗天体存在于超新星爆发后残留下来的脉冲星附近，无法查清它们的形成原因，并且在其他的脉冲星周围也并未发现类似的天体，最终还是没有将这两颗天体归入系外行星的行列中。20世纪80年代以后，尽管针对行星探索的观测技术水平有了大幅度的提高，但加拿大的观测小组采用了最新的观测技术，在夏威夷用直径4m的望远镜进行了长达12年之久的观测，结果却仍一无所获。这一切都使人们对系外行星的探索持有或多或少的怀疑态度。 一举改变人们看法的是来自瑞士的观测小组。他们在1995年发表观测结果，在飞马座类似太阳的51号星的周围发现了一颗质量为木星一半的行星以短短4天的周期绕恒星公转。由于木星的公转周期则长达12年，当时许多人在表示震惊的同时，提出瑞士所观测到的天体并非行星的反对意见。但美国的观测小组对其进行观测后，立刻确认了这颗天体的性质，这便是人类史上发现的第一颗系外行星。在那之后，越来越多的系外行星被人们发现，到2008年11月为止，发现总数已超过了300颗。 在发现系外行星的过程中，科学家们得出的经验便是不要从已有的科学发现中寻求想当然的答案。起初美国和加拿大的科学家们失败的原因，便在于将系外行星的寻找范围设定在类似太阳系的空间之中，至少在最初，他们曾以木星的各项指标为寻找系外行星的标准，从未想过要在较短的时间内就发现行星。而瑞士方面的观测人员则是观测二重星的专家，由于二重星的公转周期彼此之间有很大的差异，因此他们没有抱着“想当然”的态度。当然，在行星检测的初期可以以太阳系中的行星作为测定速度及精度时所用的标准，但在掌握了具体的技术方法之后，则应该充分发挥想象去制定具体的观测方案。 正文 第三节 系外行星最前沿（2） 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:19:25 本章字数:1357 3.行星探测的方法 目前探测行星主要采用间接方式，下面为大家介绍3种至今为止较为成功的方法： ①多普勒方法 行星的公转使得恒星本身出现轻微的晃动。利用多普勒效应来测定恒星晃动时产生的速度变化被称作“多普勒方法”（图3-2），超过九成的系外行星都是利用这种方法检测出的。多普勒方法从20世纪80年代开始被应用于系外行星的探测之中，1995年瑞士天文学家梅厄和奎洛兹在天马座51号星附近发现第一颗围绕恒星公转的系外行星，所使用的就是这种方法。在太阳系中，木星及地球的公转带给太阳的速度变动分别为13m/秒和0.1m/秒，因此即使要发现一颗巨大的行星，也要求观测精度必须精确到每秒数米。使用多普勒方法可以计算出行星的质量、轨道长半径和离心率。但由于轨道的倾斜角度不同，测出的速度也不完全相同，因此计算出的质量值一般为下限值。最近测量精度已达到了20cm/秒，发现了比地球还要小10倍的行星。相信随着测量精度的进一步提高，人类终将发现质量与地球相当的行星。 ②凌日法 当水星或金星从太阳前面经过的时候，在地球上看太阳，便会看到在太阳前面有它们像黑痣一样的投影。“凌日法”便是通过捕捉行星经过恒星时使恒星表面出现微小的明暗变化来检测行星存在的方法（图3-3）。 木星和地球经过太阳时太阳表面的明暗变化极小，分别为1%和不到0.01%。2000年美国天文学家查波里等人将凌日法与多普勒方法相结合，首次检测出了来自HD209458号恒星的亮度变化。紧接着使用这两种间接方式确认了行星的存在，这两种方式的检测结果一致使得系外行星的存在成为了不争的事实。目前使用凌日法检测出的系外行星有14颗。不过由于观测者所看到的星体轨道面不一定与实际上的轨道面相一致，使用凌日法时往往需要同时观测多颗星体。目前装备有CCD的小型望远镜也已经可以完成检测工作，这成为业余天文爱好者尝试观测系外行星的最好的方法。但由于地球上的大气漂浮不定，一般来说很难测定出微小的亮度变化，因此小型望远镜只能有效地检测木星型巨大行星。而在宇宙空间里使用凌日法，则可以将精度扩大，检测到地球型的小型行星所带来的亮度变化。美国于2009年3月发射的开普勒号卫星大概能够发现数百颗地球型行星，但也有专家指出，只依靠亮度的变化来判定行星是否存在的凌日法缺乏足够的准确性。 ③重力微透镜法 光在受到天体质量所形成的重力作用之后，会像经过透镜一样被折射。这被称作“重力透镜作用”。 比如，我们可以观测到整个银河星团以星系为背景呈现出各种各样不同的影像。当光的折射程度小时，现在的科学技术还不能分辨所呈现的星系影像，这时的重力透镜又被称为重力微透镜。这种作用使得位于后面的星体受到来自前方的天体影响，发出的光芒显得更加明亮。当位于前面的星体（透镜天体）是行星的时候，透镜的作用将更为明显。这种利用重力透镜作用的检测方法被称作“重力微透镜法”（图3-4）。目前使用这种方法已经检测到了4颗系外行星，理论上使用这种方法在地球上就可以检测出地球型行星，但由于微透镜作用需要一定条件才能实现，因此使用这种方法检测也具有一定困难。 正文 第三节 系外行星最前沿（3） 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:19:27 本章字数:1525 4.系外行星的性质 至今为止科学家们发现的300多颗系外行星在性质上都和太阳系的行星有许多不同。接下来的内容会使你对这些行星们不同的性质有一个大致的把握。 人类对数千颗恒星的探测结果表明，在与太阳成分相似的恒星中，附近有行星存在的恒星数量为10%左右。今后随着观测精度的提高，或许还会在许多尚未发现的恒星附近检测出行星的存在，因此上述结果仅代表一个下限的数值。也就是说，在恒星周围有行星存在并不是十分罕见的。 从行星的重量上来看，最初发现的行星大多数与木星的质量相仿，不过随着观测水平的进步，人类目前发现的最小的行星仅为地球质量的6倍，较为遗憾的是至今仍未发现真正可以称得上是地球型行星的小型天体。 目前天文学界尚未明确定义行星质量的最大值，但当天体的质量为木星质量的13倍左右时，天体中心便开始发生重氢的核融合反应（这样的天体被叫做“褐矮星”）。因此在多数情况下都采用木星质量的13倍作为行星质量的上限。如果按照这个数值来判断，那么便可以认为质量不足木星质量13倍并且围绕恒星公转的天体即为行星，质量为木星质量的13倍以上、80倍以下的星体为褐色矮星，质量为木星质量80倍以上的星体则为恒星。 有关行星的质量分布，目前认为大多与行星的质量成反比（图3-5）。使用多普勒方法发现的伴星型褐矮星数量很少，被称作“褐矮星的沙漠”。不过我们已经掌握了其中大多数褐矮星的影像资料，其中GD165B为温度相对较高的L型褐矮星的代表，Gl229B则为人类发现的第一颗温度相对较低的T型褐矮星。 系外行星虽然也围绕主星进行公转，但它们的公转轨道却和太阳系的行星有着很大差别（图3-6）。系外行星的轨道约为0.02-6个天文单位，公转周期则从1天左右到15年左右不等。还有些行星的公转周期比15年更长，但由于观测时间的限制尚未得到具体的数值。在0.1天文单位之内的巨大行星被称作“热木星”，自转周期多为3天左右。因为距离主星很近，它们的表面温度基本都在摄氏一千摄氏度以上。这类行星约占系外行星总数的20%。 太阳系的行星公转轨道几乎接近圆形，但系外行星的轨道离心率呈现多样化，从0（标准圆形）到0.9（标准椭圆形）均有分布。几乎不存在受到中心星潮汐作用的行星。热木星的轨道基本保持圆形，除此之外，大部分系外行星的离心率都大于0.1天文单位，轨道都不是圆形。这是系外行星系与太阳系之间的很大区别，也是无法用目前被大多数学者赞同的行星形成论来解释的一点。 目前天文学家发现了18个多重行星系，其特征是星系内有许多颗行星围绕一颗恒星公转。大多数多重星系之中有两颗行星，但也有像仙女座厄普西伦星一样拥有4颗行星的恒星。 5.系外行星与中心恒星的关系 至今为止科学家们探查的主要对象是类似太阳的主系列恒星（光谱类型为FGK型的恒星）的系外行星。尽管目前也在对数百颗质量不足太阳质量一半的M型恒星进行探索，但在这些行星系中发现的木星型行星仅为两颗，明显少于质量与太阳相近的恒星附近的同类行星数。这一点与行星形成论中的描述相符，在恒星附近诞生的行星重量取决于原始行星系圆盘的重量。质量小的恒星，其圆盘质量也较轻，因此在它附近多形成质量小的行星。 而另一方面，由于比太阳还要重的主系列星吸收光谱线的数量较少，恒星自转速度快，因此谱线的范围也广，难以利用多普勒方法进行检测。同样，由于年轻恒星的表面活动较为激烈，也给多普勒检测法带来了一定难度。目前在年老的主系列星附近发现的行星只有为数不多的几颗。 正文 第三节 系外行星最前沿（4） 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:19:29 本章字数:1276 另外，研究表明中心星所含金属量与其附近行星的数量有相关性，恒星的金属含量越高，附近的行星通常就越多。科学家认为，这种相关性表明金属含量丰富的空间可以为行星的形成提供丰富的固体材料，同时也为行星系的核聚集形成论提供了有力的理论根据。 以上的论断大多适用于类似太阳这种只有一颗恒星的星系。但我们也已经发现了约20个双星系。在双星系中，行星只围绕其中的一颗恒星公转，受到观测角度的限制，目前我们还只能观测双星间距较大的双星系。 然而，由于目前的系外行星多是用多普勒方法检测出的，这种方法一般只在较为明亮的恒星上表现出显著的效果，因此这些系外行星中绝大部分与太阳的距离都在100光年以内。今后随着大口径望远镜投入使用，多普勒方法将可以检测出更远位置的系外行星。而且我们利用重力微透镜法已经检测到了距离地球很远（约数千光年）的行星“透镜星”。 6.行星的半径与大气 目前，有九颗系外行星的存在已通过凌日法与多普勒方法共同确认，对于这些行星，我们已经可以推算出它们的半径和密度。HD209458B的半径比理论上的预测值要大，是一颗低密度行星（木星半径的1.3倍，0.4g/cm3），相反HD149206B则是半径较小的高密度行星（木星半径的0.7倍，1.2g/cm3）。目前认为实际测定值与理论值出现偏差的原因是前者由于温度较高使得行星膨胀，后者则有一个高密度的行星核。这也成为行星的聚集核形成论的一个理论根据。 对于出现凌日现象的行星系，行星的大气层中会吸收一部分来自恒星的光，因此利用这一点也可以检测出行星大气层的成分。 科学家们在HD209458B上检测出了钠元素及氢气。目前认为这些广泛分布在距离行星较远地方的氢气是在高温的行星表面蒸发后逃出大气层的（图3-7）。 另外，在针对HD209458B和TrES-1B的研究中，科学家们利用行星位于恒星后方时整个星系辐射的紫外线强度减弱的规律，成功地分离出了来自行星的热放射成分（图3-8）。但这只是人类初次捕捉到来自行星光子的一种直接观测方式，并没有拍下该行星的照片。 7.努力实现直接拍摄 使用间接法对系外行星进行观测已经使我们收获了许多，今后还将使用这种方法继续收获更多的成果。我们将继续使用多普勒方法和重力微透镜法，争取在小型恒星附近检测出地球型行星，还将探索使用中小口径望远镜在亚洲乃至世界范围内将多普勒方法活用，并努力将凌日法与重力微透镜法相结合，早日实现检测出1000颗行星的目标。我们将不只依靠通过可视光源进行检测，还将计划使用8m的望远镜进行红外线波长为1　-5　（微米）的多普勒法进行检测。 然而，由于间接法并不能直接检测出行星所发出的光，因此这种方法存在一定的不确定性。系外行星探测的下一个重要的步骤便是直接观测。可由于行星是本身不发光的小型天体，如果它的附近没有一颗极为明亮的恒星，直接拍摄下它的影像就变得十分困难。 正文 第三节 系外行星最前沿（5） 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:19:31 本章字数:1022 若想实现直接观测，必须同时具备以下三个条件： （1）拍摄器材能够检测出灰暗行星的高感光度； （2）主星和行星应离地球足够远，以保证照片的清晰度； （3）对比度适当（恒星所散发的光亮极强，与行星形成强烈对比）。 在这之中最难以满足的是第三个条件。行星所发出的光大多反射了太阳的可视光和近红外波长，二者之间的亮度比大约为10个单位数字左右。即使行星本身放射出的热量可以缩小二者之间的对比度，二者之间的差距还是在7个单位数字左右。 地面观测所面临的最大障碍则是地球大气层的晃动引起的“感热”现象。即使使用大口径的望远镜，也无法拍摄出十分清晰的照片。虽然最近研发的射电望远镜等口径在8m-10m之间的大型望远镜使用了对大气层晃动的光学修正技术以及能够适度屏蔽恒星光亮的日冕仪，但科学家们使用这些技术进行尝试（图3-9）却仍未检测出年轻的巨大行星。在未来的几年之中，随着装置有新式日冕仪的望远镜以及射电望远镜、双子望远镜、超大望远镜（VeryLargeTelescope）等新型仪器投入使用，在地面完成巨大行星的检测工作也已经指日可待。 还有些与木星相似的行星（年龄为46亿年左右，已成熟的巨大行星），以及目前使用间接法无法检测到的地球型行星，即使使用超大型的地面望远镜（口径为20m左右）也很难观测到。因此，天文学界正在致力于提高对比分辨度的新空间任务，如TPF-C(TerrestrialPlanetFinder-C)、TPF-I/Darwin、JTPF(JapaneseTerrestrialPlanetFinder)等计划均已处于开发阶段。这之中TPF-C计划的目标是研发口径为8.5m×3.5m，内置高精度日冕仪的可见光式卫星望远镜。Darwin计划的目标是为3台不同的卫星分别装置3m等级的望远镜，之后让它们组队飞行，与聚集红外线而成的第4颗卫星合并在一起形成一个巨大的红外线干扰设备。JPTF是日本的计划项目，目标是研发与3.5m等级的日冕仪相匹配的可见光卫星望远镜（图3-10）。也可以说是空间红外线望远镜计划SPICA的后续计划。 这些为地球型系外行星直接摄像的任务将在2020年前后实施，旨在探测太阳附近的更多颗恒星，从而早日发现与地球大气情况相符的第二地球（大气层中含有水及氧气等生命生存的必须物质）。 正文 第四节 高能量的最前沿（1） 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:19:33 本章字数:1487 第四节高能量的最前沿 ——有关伽马射线爆发的探索 米德大辅（金泽大学） 1.宇宙中最大的爆炸现象 在这一章中主要向大家介绍“伽马射线爆发（GRB:Gamma-RayBurst）”，这是一种突发于遥远宇宙空间中的天体现象。该现象发生时，短短的数十秒内，空间中便会出现大量的伽马射线。实际上，由于现象发生时天体瞬间释放出超过1045焦耳的能量，因此这种现象也被认为是宇宙中最剧烈的爆炸现象，而在这十秒的爆炸过程中其释放出的能量相当于一颗超新星经过一万年缓慢放出能量的总和。不过，长期的观测表明，这惊天动地的大爆炸在宇宙中不过是件极为寻常的事情。尽管如此，GRB却几乎没有在银河系中发生过，之所以能够观测到它，是由于它所发出的巨大光亮穿越了整个宇宙。 最近，研究表明，GRB发生的导火索是星体在死亡之前发生的超新星爆发。并且科学家们认为，这颗超新星必须能够释放出巨大的能量，因此，它还必须是能够形成黑洞的“极超新星”。 图4-1为GRB发生时的想象图。目前认为，随着质量大的星体毁灭，黑洞产生，由于星体的外壳降落在黑洞周围，重力所释放的能量便自黑洞中喷射而出。 近十年来，随着科学技术的不断进步，GRB现象受到人们的广泛关注。由于该现象在短时间内放射出极为耀眼的光亮，科学家们认为这种现象可能与宇宙形成初期时光的起源有一定关联。本章将向你介绍GRB现象的发现、研究过程、目前最新的研究成果以及未来的研究计划。 2.伽马射线爆发的发现以及漫长的探索期 人类初次认识伽马射线爆发（GRB）现象是在1967年。当时美国、英国、苏联三国签订了不扩散核武器条约之后，美国以确保核不扩散为由发射了一颗名为“Vela（维拉）”的卫星，该卫星上的装备可以检测出核爆炸时释放的伽马射线，可监视来自各个方向的伽马射线。不久之后工作人员发现，Vela卫星时常在很短的时间内检测到大量伽马射线，但却无法判定射线究竟来自哪个方向。由于伽马射线是核试验爆发的产物，发现伽马射线也就意味着在地球上的某个地方有可能进行了核试验，Vela卫星的发现一度被作为军事机密，没有公诸于世。 从那以后，Vela又曾多次发现伽马射线的爆发，终于在1973年，美国洛斯阿拉莫斯国家研究所的克莱贝萨德尔博士等人成功地定位了这类突发性伽马射线的放射方向。于是博士便向美国的天文学会杂志提交了一份报告，称其发现了一种神秘的突发性伽马射线天体。这便是发现GRB的全过程。由于从其他天体上放射出的伽马射线无法穿越地球厚重的大气层，因此要观测这一现象只能依靠人造卫星来完成。也多亏了Vela卫星能够全方位地监测伽马射线，否则可能我们到现在为止对GRB还一无所知。 接下来让我们暂停对GRB发现历史的回顾，来了解一下GRB的具体现象。图4-2为GRB现象发生时伽马射线强度随时间变化的伽马射线亮度曲线。虽然只有短短的数秒钟，但还是可以看出随着时间变化而存在的峰值。科学家们还曾观测到发生在千分之一秒以内的伽马射线爆发。由于没有任何物质的速度可以超过光速（30万km/秒），科学家们判断这种极为短暂的伽马射线爆发的发生源大小应该不超过300km。 另外，GRB的持续频率分布如图4-2下表所示，表中的两个峰值分别在数百微秒和三十秒附近。为了区分方便，目前将持续时间超过两秒的GRB称为“长GRB”，短于2秒的称为“短GRB”。 正文 第四节 高能量的最前沿（2） 紫雨阁小说网 更新时间:2010-4-5 9:19:35 本章字数:1063 不过无论持续的时间长短，伽马射线的光谱都属于不可见光谱。具体情况如图4-3所示，当一部分能量呈弯曲状态时，以弯曲处为界限，低能量的一侧和高能量的一侧都将以指数函数的方式累加。这里所说的指数函数，是指如果图表中的横轴和纵轴都以对数为刻度，那么该图表中的曲线将会变为直线。另外，像太阳黑子所释放的能量以及高温等离子的放射也被称为可见光放射，根据温度不同，所释放的能量也各不相同，如果用光谱来表现的话便可以看出它们的峰值。 虽然宇宙中存在光谱为非可见光的天体，但多数情况下只有高能量电子被冲击波加速后的同步辐射的光谱才以非可见光的形式表现。大概GRB也是其中的一种吧。 继续回到人类研究GRB的历史中。继Vela卫星之后，许多国家都以行星探测为目的发射了卫星，日本发射的卫星“天鹅”与“银河”上也载有GRB的检测器，专家们针对伽马射线强度的时间变化及其光谱等特征进行了广泛的争论。这一时期曾在学术界引起激烈讨论的问题是GRB究竟发生在银河系中还是遥远宇宙的另一端。那时候许多人造卫星都检测到GRB的频繁出现，但却无法使用视角狭窄的光学望远镜确定它所发生的方向。如果不能确定地球与GRB之间的距离，就无法确定现象发生时大约可以释放多少能量，也无法找到GRB发生时的载体。如果该现象发生在银河系以外，那么便会导致宇宙中所有能量的膨胀，最终释放的能量将远远超出超新星爆发时产生的总能量。正因如此，当时有将近九成的研究者都认为GRB发生在银河系之中。 但1991年发射的康普顿卫星的观测结果再次让所有人大吃一惊。这颗卫星上装备的爆发和瞬变源试验设备（BATSE）在9年之中检测到了2704次GRB现象，并提供了这些现象大致的分布位置（如图4-4所示），如果该现象发生在我们居住的银河系中，那么应该集中分布在银河面（银河经度±180度，银河纬度0度）附近，但图中的分布情况却很平均，几乎不存在任何偏差。这让将近九成的研究者大跌眼镜，因为这意味着GRB发生在银河系以外。但那时还不能确定GRB究竟是环绕着银河系的爆炸现象，还是发生在遥远的宇宙彼端。可以说在GRB刚刚被发现的30年间，对于它的研究完全处于在黑暗中摸索的状态，研究人员一边被琢磨不透的GRB所捉弄，一边努力地探究它的真面目。 中国于2009年6月4日建成了世界上最大的光纤光谱天文望远镜。这将对宇宙起源、星系形成与演化、银河系结构、恒星形成与演化、GRB的发生等诸多研究领域作出新的更大贡献。