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天文学通识-高爽

读书笔记 it书童 2019-10-05 13:49:50 0赞 0踩 1881阅读 0评论

宇宙学原理

天文学的第一性原理

宇宙学原理,就是地球在宇宙中一点也不特殊,所以我们在地球上发现的规律在其他地方也应该有效。

宇宙学原理,是我们对宇宙真实情况的一个猜测,是一个先验的理念,但是没有它,天文学就无法开展。

宇宙学原理,不只是我们的猜测,随着天文学的发展,它也被大量的事实验证。

光谱分析

宇宙学原理的实证

光谱分析是天文学里的显微镜,能让天文学家隔着上亿光年的距离知道远处天体的元素构成。

天文学家对恒星和其他天体进行了光谱分析,在元素层面上验证了宇宙学原理,宇宙中的元素构成都是相似的。

宇宙膨胀会导致光谱的红移,所以面对遥远的天体,要把红移消除后才能知道它的元素构成。同时,这也成为了一种非常有效的测距方法。

距离测量

宇宙学原理的推进器

亮度、视觉大小、红移程度等等参数都是会受到距离影响。把这些参数的距离因素消除后再使用宇宙学原理才是正确的。

天文学中测量距离的方法有很多种,近距离的可以用恒星视差法,远一些的可以用标准烛光法,再远的话还可以用红移测距。

模型体系

天文学的核心框架

天文学不能像其他科学那样反复实验,又只能依赖有限的观测数据,所以必须通过模型的猜测推动理论前进。

单个的模型确实能解释一些问题,但是可靠性不高。所以天文学需要把模型之间尽可能多地联结起来。新的理论只有深层地嵌套在其他模型当中,才能更可靠。

模型体系就成了天文学的认知方法,甚至把有限的数据信息放大成了丰富的知识。这就是天文学的核心框架。

宇宙的边界在哪里

由于观测上的各向同性,我们知道宇宙的尺度实在是太大了,远远超过我们的观察范围。

因为宇宙年龄有限,光速有限,所以可以观测到的宇宙范围只是整个宇宙的很小一部分。

由于宇宙还在加速膨胀,退行速度可能会超过光速,所以有大量的区域我们永远也不可能观测到。

宇宙过去发生过什么

前质子时代,宇宙诞生,开始暴胀,诞生了四种作用力,诞生了中子和质子。

质子时代,光辐射在质子和原子中混成一锅粥。之后辐射从质子中脱离出来,让我们看到最早的光。

原子时代,也就是黑暗时代。物质已经形成,但还没有产生恒星这样的光源。

恒星时代,恒星诞生,宇宙被点亮,恒星成为宇宙的基本单元。

暗能量时代,物质的密度已经小于暗能量,引力影响小于膨胀的趋势,宇宙加速膨胀下去。

如何探索外星生命

因为我们相信宇宙学原理,相信地球和我们人类文明不特殊,所以我们也相信有外星人存在。

直接探索是寻找外星生命最直接的方法,我们会优先选择与地球相似的星球探索。现在土卫二是太阳系中最有可能存在外星生命的星球。

无法探索的地方,我们仍然可以在宇宙学原理的指导下寻找线索,比如,寻找宜居带和戴森球,或是直接接收外星人信息。

太阳是天文学的枢纽

太阳是距离我们最近的恒星,所以我们对太阳的了解最详细。

太阳关联着天文学和物理学里的大量模型,是天文学模型体系里的最深一环,关系着整个天文学的稳定。

理解了太阳,才能应用宇宙学原理,理解更远处的恒星。

狂暴是太阳的另一张面孔

太阳风暴是太阳的剧烈活动,它会瞬间释放巨大能量,对地球上的通讯造成严重影响。

太阳活动的出现有一定的规律,和太阳上的黑子出现的周期一样,都是11年。

天文学已经知道这些活动和活动的规律,跟太阳的磁场有关系,但是更深刻的原因还不十分清楚,这是天文学未来需要回答的大问题之一。

太阳系的主宰是太阳

整个太阳系里的物质如果是100的话,太阳的质量占了99.86,剩下的地球、火星、木星、土星等等,全部加起来也就是0.14的质量。所以,如果太阳是一个面包的话,太阳系里所有的行星都是不小心掉下来的面包屑。

事实上,我们也就是太阳在被创造时丢下的边角废料。

从质量、引力和形成过程来说,太阳都是太阳系的主体。其他行星、卫星、小天体都围绕在太阳周围,是太阳形成的时候的边角废料。

八颗大行星按照尺寸和内部物质组成的不同,可以再分成两类。这样的分类让天文学更好的理解行星的本质。

这些行星和周围的小天体,它们的起源、演化,甚至是最终的命运,也都受到太阳的主宰。太阳的衰老会对行星造成一连串的破坏性的严重后果。

决定行星宿命的引力

太阳对行星的引力,让行星围绕太阳运动。但是行星彼此之间的引力有时候不能忽略。

行星到太阳的距离似乎存在着某种数学规律,虽然现在还不能确定这个规律的背后原理。但是可以确定的是,在引力的作用下,这个规律是普遍存在的。

太阳系作为一个引力主宰的系统,天体的位置不是随机分布的,而是会位于一些特定的位置,这是长期演化的结果。

太阳的影响力

决定太阳系的边界

太阳系的边界在哪?这是一个很复杂的问题,不同的判断标准,不同的定义,可能会得到不同的结果。

太阳系目前认为最外围的天体是奥尔特云,那里是长周期彗星产生的地方。

太阳系的边界问题,本质上是帮助我们理解太阳的能力有多大。用太阳引力来判断,太阳系边界就在是太阳引力的范围。用太阳的辐射做标准,边界就是太阳风和星际空间平衡的地方。

月球

地球的稳定器

月球和别的卫星比个头太大了,地月系是一个奇特的系统。

月球的形成是还没有定论的问题,目前的主流理论认为是在太阳系的早期,原始的地球和另一颗行星相撞,撞出了现在的地球和月球。

月球对地球和生命有直接的影响,月球的引力造成潮汐,潮汐产生摩擦,让地球自转逐渐减速,一天的时间越来越长。月球成为地球的刹车片和稳定器。

火星

地球的备胎

离我们最近的金星的环境不适合生命存在,所以火星成为行星探测的热门。

火星的磁场消失了,没有能力抵挡太阳风的袭击,火星的水被破坏掉,成了一个没有生机的世界。

火星的磁场消失是一个逐渐消失的,火星曾经富含水和空气,也有着频繁剧烈的地质活动。但是火星个头太小,冷却迅速,最终消耗掉了自己的活力。

木星

为生命带来了可能性

木星质量太大,所以有特别强大的引力,可以利用木星的引力弹弓效应帮助人类发射的航天器加速。木星给人类带来更容易离开太阳系的可能性。

木星是气态巨行星,体积巨大,形成时间比别的行星要早,内部聚集了太阳系早期的物质,对木星的研究给我们带来获取太阳系早期信息的可能性。

太阳系形成之初,木星的轨道曾经发生了改变,造成了一系列连锁反应。小行星和彗星猛烈轰炸地球,为原始的地球送来了水。

冥王星

一场行星定义的革命

2006年国际天文学会通过决议,把冥王星从行星降级为矮行星,从此教科书上的9大行星改写为8大行星。

冥王星降级的原因,是在它的附近还发现了更多的尺寸和质量相近的天体,甚至有的比冥王星质量还大。这就要求天文学家必须反思行星的定义,也就是必须重新梳理行星的本质。

把冥王星以及它附近的全部新天体降级,换来了更精确、更系统化的行星定义,这是天文学的巨大进步。

赫罗图

理解恒星的最简界面

恒星的数量实在是太多了,仅仅一个银河系中就包括了4000亿颗恒星,它们彼此有着不同的参数,充分研究每一颗恒星几乎是不可能的。

这个时候就需要借助太阳的枢纽力量,从太阳的研究中我们获得了启发,恒星的众多参数不是彼此独立的,而是可以抽取出某几个参数作为关键参数帮助理解恒星的状态。

利用温度或者颜色,和光度这样两个参数,可以建立一个基本的赫罗图界面,用来描述所有恒星的不同状态。

恒星质量

恒星命运的决定因素

恒星的内部会因为自身的引力而产生巨大的压力,氢原子被压迫到一定程度后发生核聚变,释放出的巨大能量可以对抗压力。所以一颗恒星之所以能稳定地发光,就是因为它自身的引力和核聚变产生的排斥力达到了一个动态平衡。

当氢元素消耗到一定程度,不足以对抗恒星的引力时,引力会使氦发生核聚变,氦核聚变需要更大的压力。而且因为压力增加,原本剩下的氢元素,核聚变加剧了,所以恒星的核心温度会急剧上升,因为氢核聚变之后产生的废料就是氦元素,所以是不缺氦元素的。只要恒星的引力够大,能够给内部产生足够的压力,那么氦核聚变几乎是必然发生的。

这次从氢燃料换挡到氦燃料,氦的燃烧不如氢的燃烧稳定,所以会出现一个不平滑过渡,这就像是一个新手司机换挡一样,中间会发生一段不稳定的状态。这就是氦闪现象。

氦聚变使得恒星快速膨胀,表面温度变低,成为一个巨大的红色星球,即红巨星。

当恒星不变产生核骤变时,可以看成这颗恒星生命周期结束了,只发出微弱白光,这些只是它原来储存热量散发的余晖,最终会完全熄灭,此类星称为白矮星。

白矮星是红巨星的内核产生的。红巨星的内核因为持续消耗氦元素,会持续地产生出碳元素和氧元素。当氦元素消耗到一定程度后,核聚变产生的斥力又不足以对抗自身引力了。但是自身质量产生的压力又不够继续让碳元素或是氧元素发生核聚变。无法核聚变后,原来核心外面的物质就会因为热运动而扩散掉。我们通过望远镜看到的行星状星云就代表那里有一颗红巨星到了生命的结尾。

如果只剩下中间核心的恒星质量在此时还大于8倍太阳的质量,氦核聚变之后还是可以继续发生核聚变的,这个时候碳元素就会合成更重的元素。如果质量够大的话,氮元素、氧元素、硅元素等等,是会一直进行下去的。直到到了铁元素,核聚变反应就不会再发生了。其实,我们看元素周期表的话,铁元素之前的元素,除了氢、氦和少部分的锂元素是大爆炸后产生的,其他的绝大部分都是在恒星核聚变这个大熔炉中合成的。

大于8倍太阳质量的恒星,它们走向毁灭的时候,就不再是像太阳那样慢慢地熄灭,而是会毁灭得非常壮丽。它们在最后无法继续发生核聚变时,就会产生超新星爆发。超新星爆发,会瞬间释放出巨大的能量。一个超新星爆发瞬间发出的光芒可以把整个星系都照亮。如果是在我们几千光年的距离内,发生了超新星爆发,它释放出的强大的高能射线就可能会让地球生命全部灭绝。

铁之后的那些元素的形成机制,就是超新星爆发。只有超新星爆发瞬间产生的能量才能为这些重元素提供足够的压力。所以,每一克的黄金其实都是超新星爆发的遗迹。

超新星爆发之后,恒星的核心还是会剩下来的。不过啊,往往剩下来的这个核心是没办法像白矮星那样靠电子简并力就能抵挡引力。所以这个核心会继续坍缩,直到把电子压到原子核里面,电子和质子结合变成了中子。最后靠着中子简并力支撑着才不会继续塌缩下去。这就是中子星,上面没有原子,全是中子。它的密度非常非常大,中子星上一块方糖大小的东西,质量就可以等于一艘航空母舰。

物理学家钱德拉塞卡计算过,只要剩下的核心超过1.44倍太阳质量,那么它必然会变成中子星。这个极限也叫做“钱德拉塞卡极限”。不过,这个极限并不是最后的底线。后来物理学家奥本海默也计算过,当最后这个核心的质量大于3倍太阳质量,那可就连中子简并力也没有办法抵抗引力了。更准确地说,是没有任何力量可以对抗引力了,所以所有物质会无限塌缩,最后集中到一点,变成奇点。这样黑洞就诞生了,引力最后获胜。

总结:

恒星稳定存在是因为核聚变的能量释放和引力带来的压力之间的平衡。所以这两个力量之间的关系决定了恒星一生的演化。

如果核聚变产生的能量不足,引力就会占了上风。恒星内部产生能量的方式就要换挡。恒星就会开始一系列的状态变化。这一系列变化的发生阶段也受到质量的控制。

更大质量的恒星最终可能会爆发为超新星。所以质量可以决定恒星的一生。

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