【未解之谜】920亿光年 漆黑太空背后的宇宙秘密

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大家好,我是扶摇,欢迎和我一起探索未解之谜。今天我们来探讨一下“漆黑太空背后的秘密”。

相信大家都曾在夜间仰望星空,看着满天繁星。中国古人还由此发展出了星象学,通过夜观天象,来判断人世间的吉凶。很多人也想当然地认为,如果人们来到太空,没有大气层的遮挡,那星空应该是更加璀璨的。然而事实却不是这样的。

当年美国阿波罗号宇宙飞船登上月球之后,人们看到宇航员们传送回来的照片,都呆住了。嗯?怎么宇宙背景一片漆黑?星星们都哪里去了?也正因为这个原因,曾经有人质疑,阿波罗号到底有没有登上月球啊。然而随着越来越多的国家进行了太空之旅,拍到了外太空的照片之后,人们发现,真是冤枉“阿波罗号”了,外太空真的是很黑的。

奇特的大气层

为什么反而在地球上可以看到无数的繁星呢?因为地球有大气层。大气层是围绕着地球的一层混合气体,随着高度不同,大气层所含有的元素不同,也表现出不同的特点。目前认为,大气层可大致分为对流层、平流层等多个层次。我们乘坐的飞机就是飞在平流层,因为这层大气流动较为平稳。而人类也利用增温层实现短波无线电通信,使远隔重洋的人们可以相互沟通。而散逸层之外,虽然仍有稀薄的气体和基本粒子,但一般就把它算作外太空了。

大气层是人类的保护伞,它帮助人类抵挡了有害的宇宙射线,免于地球变成火星那样荒凉的世界。这个大气层如同一个巨大的透镜,或者说一个巨大的遥视场,能够将遥远的恒星发出的光反映过来。说到这里,有些爱思考的观众就要问了,那漂浮在太空中的哈勃天文望远镜,还有那些国际空间站上的宇航员,不是也可以拍摄到布满繁星的星图吗?

那是因为,它们还没有真正离开地球的大气层呢。哈勃天文望远镜距离地面559公里,国际空间站距离地面大多在400公里左右,都没有超过散逸层。真超过散逸层了,除了太阳系的星体,就拍不到其它星星了。科学家就表示,太空飞船从外太空传回的原始照片,如果不经过后期处理,看上去就是一片漆黑。相信大家这个时候脑子里会浮现出大大的问号——这是为什么呢?星星们都去哪儿了?在回答这个问题之前,让我们先来谈一谈“奥尔伯斯悖论”。

奥尔伯斯悖论

“奥尔伯斯悖论”是由德国天文学家海因里希‧奥尔伯斯(Heinrich Wilhelm Matthäus Olbers)在1823年提出来的。他当时思考的问题是,为什么夜空不是明亮的?当时人们普遍认为,我们可以观测以及感知的这个宇宙是静止不动的、无限大的,而且时间也是无限的。基于这点,奥尔伯斯就推断出,那么天空应该是明亮的,因为从数学上可以证明,将有无数的恒星覆盖天空的每个点,无论望向天上哪一位置都应该见到一颗恒星,星与星之间便不应有黑暗的位置,黑夜时整个天都会是光亮的。

然而事实告诉我们,外太空不是明亮的,而是漆黑的。这又该如何解释呢?奥尔伯斯自己提出了一种假说。就是说宇宙不是透明的,里面有着黑暗的星体,比如不会发光的行星、宇宙尘埃、宇宙气体,由于它们的阻挡,极远处传来的光线就只能传播一段有限的距离,而不能到达地球。人眼睛能看到东西,是因为人眼感受到了可见光,如果光线都没到地球,当然也就看不见,就是黑的啦。

这个理论听起来似乎有些道理,但是物理学家出来抗议了。他们表示,根据热力学第一定律——能量守恒定律,这些所谓的阻挡物,就是行星、尘埃等等物质,最终会被加热,然后自己也变成了发光体。这样就又回到悖论的结论了:天空应该是明亮的。

在“奥尔伯斯悖论”提出后的一百多年内,人们一直在为之头疼,想找出合理的解释,但是总是四处碰壁。直到一位美国天文学家观测到了一种非常特别的宇宙现象,这个悖论才找到至少可以说得通的解释。这位天文学家就是大名鼎鼎的爱德温‧鲍威尔‧哈勃(Edwin Powell Hubble),哈勃天文望远镜就是以他的名字命名的,以向他表达敬意。

哈勃定律

哈勃最伟大的成就之一,就是发现了“哈勃定律”。他通过观测星系发现,星体远离地球的速度,与它们和地球之间的距离成正比。简而言之,就是一个星体离地球越远,那么它远离地球的速度越快。

那么哈勃是怎么发现的呢?这里就又得提到一个概念“多普勒效应”。多普勒是奥地利的一位数学家、物理学家。一次,他路过铁路交叉处时,恰逢一列火车从他身旁驰过,他发现火车从远而近时汽笛声变大,但音调变纤细,而火车从近而远时汽笛声变小,但音调变雄浑。他对这个物理现象感到极大兴趣,并进行了研究,最终发现,当声源离观测者而去时,声波的波长增加,频率变低,而当声源接近观测者时,声波的波长减小,频率变高。

不仅仅是声音,“多普勒效应”也可应用在光的运动中。这张图就是一张光谱,由上而下,波长由小变大。图中彩色的那么一小段,就是可见光,波长在这个范围的光,人才可以看见。这里不得不感叹一下,相比整个光谱,可见光的范围真是太小了,人眼能看到的东西实在是太有限了。这个宇宙中人眼看不到却真实存在的物质,比起人们能看到的,要多得多呢。

咱们继续说光的“多普勒效应”。当一个星体快速远离地球时,它发出的光波波长就会增加,而光谱就会向红色的一边移动,天文学上说叫做红移。反之就是蓝移。大家可以在网上找出天文望远镜拍摄并经过后期处理的星系图,会发现越是远离地球的星系,看起来颜色越偏红。再打个比方,我们现在看太阳,看到它发出的光是黄白色的,但是如果太阳一直远离我们而去,我们就会发现它的光变成了橙红,再远,就变成了红、深红、暗红……直到看不见。

哈勃通过观测星体运行的速度和方向,发现星星们都在远离我们而去,他判断出这个宇宙不是静止的,而是在不断膨胀的。

漆黑太空的原因

哈勃关于“宇宙膨胀”的观测结果,让科学家们为“奥尔伯斯悖论”找到了一个解答。按照当前科学界的说法,宇宙是在138.2亿年的大爆炸中形成的,然后不断膨胀,不断膨胀。如果大爆炸的那一刻,宇宙中一片光明,像恒星表面一样亮。随着宇宙的不断膨胀,星体之间的距离也就越来越大。现在有研究表明,宇宙在以超过光速的速度膨胀,那么,很多古老而遥远的星系,它们发出的光根本就没机会抵达地球了。还有很多星系,宇宙的膨胀导致来自它们的星光不断加快红移、红移。超过一定的距离,这些光都会转移到人眼可见光谱之外,从而使这些恒星都不可见了。

当然了,这些都是基于“宇宙大爆炸理论”而做的推理和解释。关于宇宙的诞生,其实还有不少有趣的理论与推想,以后有机会再和大家分享。

宇宙到底有多大

现在科学家已经普遍认可宇宙是有限的,那么这个宇宙到底有多大呢?我们来看一段视频。

这是月亮的直径,3,500千米。这是我们可爱的地球,直径13,000千米。太阳系最大的行星——木星,直径15万千米。和太阳比起来,还是那么不起眼。

当您觉得太阳已经很大时,请继续看下去,和宇宙中一些其它的恒星比起来,太阳的个头只能算个小弟弟。

盾牌座UY是一颗红特超巨星,半径是太阳的755倍。到这里,我们已经需要更换计量单位了,采用,以光日为单位,就是光速跑一天所经过的距离。

计量单位变成了光年。光速跑一年的距离。一光年大概有94,600亿千米。离太阳最近的恒星,距离也要4.2光年。以光年不断增大,无数的星系都被包含其中。

我们太阳系所在的银河系,直径介于10万光年和18万光年之间,估计有1,000亿到4,000亿颗恒星。然而银河系在宇宙中也只能算沧海一粟。

这令人想起,2,500多年前,释迦牟尼就曾说过:一粒沙中就有三千大千世界。如果把一个太阳系算作一个世界,这些看上去如同沙砾般大小的亮点,每一个里面就包含着难以计数的世界。释迦牟尼当时是如何知道这些的呢?难道他早已看到了宇宙的真相?

密密麻麻的宇宙巨网(Cosmic web)。而这才是56亿光年的距离。科学家把以地球为中心、向四面八方能够观测到的最远的范围,称为“可见宇宙”,这个范围是个球体。这个球体的直径目前被认为是920亿光年。

然而,这并不代表着宇宙的最终大小。加州理工学院前射电天文学家马库斯‧周(Marcus Chown)表示,可见宇宙的边缘应该是一个“宇宙地平线”的概念,就像海平线一样。人们看着海面,都知道比海平线更远的地方,还有海洋——在“宇宙地平线”之外,应该还有更多、甚至是无尽的星系。

如此震撼的画面,令人心生敬畏,心怀谦卑。让人不由地想起被誉为“现代科学之父”的牛顿的名言,以及他的一件趣事。

牛顿趣闻

牛顿是一位伟大的科学家,更是一位虔诚信神的人。他在出版其科学巨著《自然哲学数学原理》时,写了一段话,大意是说,整个宇宙如此尽善尽美,必定是伟大造物主的杰作。

然而,牛顿的好友哈雷,就是发现哈雷彗星的那个哈雷,对此不屑一顾,觉得哪里有神啊。有一天,他去牛顿家拜访,看到牛顿家有一架太阳系模型,中央是一个镀金的太阳,周围各大行星各自有序排列整齐,一拉手柄,各大行星立刻在自己的轨道运行,井然有序。

哈雷看到之后,赞不绝口,一边把玩,一边随口问道,这是谁做出来的呀?牛顿回答,没人制作,它就是由各种零件偶然间自己组成了。哈雷以为牛顿和他开玩笑呢,坚持要问到底是谁做的,还说,能做出如此精妙的模型,这个人一定是个天才。

牛顿拍着他的肩头说:“这个模型虽十分精巧,但比起真正的太阳系,实在显得微不足道。小小的模型你尚且相信一定有人制造。相比之下,这更加精妙亿万倍的大星系,岂不是造物主的杰作么?”

牛顿一席话,顿使哈雷恍然大悟……

好了,今天就和大家分享到这里。未解之谜,我是扶摇,我们下期再见。

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(责任编辑:王晓玉)

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