@ 2017.08.07 , 17:00

我们如何研究天文学

超新星爆发

人类长久以来都认为,头顶上的宇宙是亘古不变、完美无缺的。闪烁的恒星总是呆在老地方,行星则是永远按照固定的轨道运行,从不越轨。即使是宇宙里的熊孩子——彗星,运行轨道不可预测,但也只是少数的特立独行者。直到1572年,丹麦天文学家第谷·布拉赫(Tycho Brahe)观测到了一次超新星爆发(Supernova),一颗超新星陨落了,人类对宇宙的认识逐渐发生了改变,宇宙似乎也不是那么稳定。但宇宙永恒论的观点早已深入人心,要改变先入为主的观念着实不易。而仅凭肉眼观察到超新星的机会少之又少,要知道上一次人类用肉眼观察到超新星爆发已经是400多年前的事情了。

我们如何研究天文学
Credit:锐景创意

好在现代天文望远镜解决了天文学家观察宇宙时“近视眼”的毛病。如今,我们知道银河系里大约有50万颗恒星,也能观察识别到成千上万的转瞬即逝的宇宙现象。尽管多数的恒星有既定的轨道,但茫茫宇宙也少不了惊喜和意外。例如,当两颗恒星相互旋转靠近形成所谓的“双星系统”时,星体质量会从一颗逐渐流向另一颗。这时如果其中一颗是年事已高的白矮星,那么它将从“老伴”那儿不断汲取气体,当能量累积到一定程度,便会发生热核爆炸——超新星爆发,就像第谷观察到的。除了以上这种超新星爆发,另一种则更加普遍,它是由于恒星死亡而导致的,但此类恒星的质量一般比较大,至少是太阳的10倍。

超新星爆炸形成太阳系的过程:
a,一团宇宙尘埃和星云。
b,超新星爆发产生的冲击波压缩星云等物质。
c,年轻的恒星在冲击波中孕育而生。

超新星爆发是恒星无法逃避的宿命,爆炸时的诸多现象都与恒星系统的性质息息相关。它确实是恒星的终点,但毁灭性的灾难里也孕育了生机,爆炸为临近的行星提供了大量演化所需的原始物质,银河系的形成就被认为与某次超新星爆发有关。所以,天文学家们当然不会错过每一次观测超新星爆发的机会,但上帝的神迹岂是那么容易见到的,在我们银河系,平均一个世纪才会发生一次超新星爆发

对于一世纪只发生一次的事件,如果我们的眼光只呆在银河里系守株待兔,显然有些假阶救火。值得庆幸的是,像银河系这样的星系,宇宙里一抓一大把,准确来说银河系只是一万亿个星系中的一员。假如我们同时监测上百万个星系,那么我们甚至可以做到每天都观测一次超新星爆发。这也是现代天文学最酷、也是最值得挑战的地方!

类星体

超新星爆发会发出强烈的光线,有些时候天文学家用肉眼就能看见。但除了它,还有一些遥远星系的光源能被先进的天文望远镜捕捉到。在这些光源中,类星体(Quasar)最为常见。

类星体中心是一个超重黑洞,一般是太阳质量的数亿倍,它本身不发光,但黑洞产生的巨大引力吸引其他物质坠入黑暗,周围物质在快速落向黑洞的过程中以类似“摩擦生热”的方式释放出巨大的能量,使得类星体成为宇宙中耀眼的天体。

如今,学术界主流的观点认为每个星系的中心都存在一个超重黑洞,其中大约有1%的黑洞吞并物质的速度足够快,能形成发光的类星体。我们所在的银河系也有这么一个超重黑洞,但它并不活跃,加积(吞并)物质的速率也不够快,还不足以产生类星体。当然了,平时十分“文静”的处于非激活状态的黑洞也有玩嗨的时候。例如,当恒星运动到离黑洞足够近的位置,黑洞的引力会疯狂拉扯恒星的物质,称为“潮汐扰动事件”(tidal disruption event)。部分恒星的残片快速陷入黑洞之中,从而产生一阵转瞬即逝的光亮。但潮汐扰动事件发生的概率比超新星爆发的概率还要低,准确来说一个星系中大约10000年才会发生一次。对于茫茫宇宙,我们研究它的变化规律,实质上就是研究黑洞和超新星爆发。

天文学是门烧钱的学问

现在,你对宇宙里的一些变化和一些极端现象有了清晰的认识。但这些知识对于一个专业的天文学家来说还是太少,他们最大的挑战是找到一个普适的特征或者是通用的理论去解释所有的天文现象,而不是仅仅针对某一个现象来解释。同时他们也要总结出适用于整个宇宙的数据,而不是只适用于某个星系的。既然有如此庞大的数据需求,那么首先硬件得跟得上。这也是我们的天文望远镜越建越大的缘由,更大的望远镜使我们能看见更加遥远、更加模糊的星体。但可惜的是,更大的望远镜虽然可以看的更远,但其视野也更小,毕竟鱼和熊掌不可得兼,想要看得远就得舍弃观察范围。但又有句老话说,有钱能使鬼推磨,只要砸钱砸的多,问题还是可以解决的——如果一台天文望远镜只能看见一部分,那么就多来几台!

我们如何研究天文学
Credit: Rex 智利的LSST概念图

现在,假设你的课题目标是找到尽可能多的宇宙“突变”现象,并研究它们的演化过程,那么你就需要一台大型天文望远镜。而想要它覆盖尽可能大的天空范围,那就得看你的经费有多少了。这就是建设大型巡天望远镜(Large Synoptic Survey Telescope ,LSST)的基本理念。LSST地处智利,它有一个直径6.7 米的望远镜,目前还在搭建中,预计在2022年正式投入使用。

LSST用的是大直径的天文望远镜,那么自然有小镜头的项目:全自动超新星爆发调查系统(All-Sky Automated Survey for Supernovae ,ASAS-SN)。到今年年底,ASAS-SN将拥有20个14cm孔径的望远镜,遍布全球。运用这些长焦相机镜头,ASAS-SN能发现比肉眼分辨亮度低25000倍的宇宙现象。好在这些镜头小,它能涉及到的天空可比LSST广阔得多,通过ASAS-SN众多小镜头望远镜得到的图像,总面积大约是月球表面积的1600倍。所以ASAS-SN有了如此广阔的探测范围,它仍然可以每天至少观测到一次超新星爆发。

不难发现,LSST与ASAS-SN是相辅相成的两种手段,在数据质量与数量的抉择中寻找平衡点。LSST提供了高精度的数据:识别遥远的光源、微弱的闪烁,统统不在话下。但这些微弱的光源信号并不稳定,即使是使用目前最大的天文望远镜也很难搞清楚它们的长期变化规律。另一方面,ASAS-SN提供了海量的数据,但只能看近距离的星系。ASAS-SN找到的高亮度光源能让我们瞥见周围“邻居”的诸多细节。

自第谷第一次观察到超新星爆发已经过去了近500年,但像LSST和ASAS-SN的大型项目将继续引领时代潮流,揭露苍穹之上、亘古不变的宇宙里的变化和转瞬即逝的闪光,记录下一次次“微弱”的闪烁。

# 原文始发于公众号 牛油果进化论

本文译自 Aeon,由译者 Hulk 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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