看不见的宇宙

作者简介

作者 马修·博思韦尔（Matthew Bothwell），剑桥大学公共天文学博士，天文科普作家，长期从事天文学各分支领域的授课和讲座，目前在剑桥大学天文学院负责天文交流项目。不做外展时，他从事天文观测工作，使用一系列世界最先进的观测设备研究星系在宇宙历史中的演化。 主审 苏晨，北京天文馆《天文爱好者》杂志编委，西华师范大学物理与天文学院天文系客座教授，资深天文摄影师。长期从事天文观测及天文科普工作，担任多届全国天文爱好者星空大会总策划，曾于“中国天文日”在国家图书馆举办天文摄影专场展，多次组织公益类社会活动。 译者 刘斌，北京外国语大学高级翻译学院同声传译硕士、美国宾夕凡尼亚州立大学植物学硕士。现任华北电力大学翻译教研室副主任。翻译科普作品多部，如《故事魔力》和“核心概念：生物”系列。

内容简介

宇宙的本质 （出自第六章“最长波长下的天文学”） 氢是宇宙中最简单也最丰富的物质。事实上，氢是最简单的常规物质：一个电子绕着一个质子，仅此而已。这种最简单的物质占宇宙中所有常规物质的大约75%【我这里使用的“常规物质”是指“重子”（Baryon），它由质子和中子组成，而不包括暗物质，因为暗物质远超过其他所有物质之和】。相比之下，碳、铁、氧等组成我们身体的重元素都只占个零头。一眼望去，宇宙是由氢气组成的。因此，了解氢的属性对天文学具有重大意义。氢是大爆炸的遗物：自宇宙诞生以来一直保持原有的模样。氢也是恒星诞生的原材料。在许多星系中，氢多于恒星。对于天文学家来说，“多于”在这种语境下指质量更多。如果我们把星系中所有恒星放在宇宙天平的一边，把所有氢气放在天平的另一边，那么恒星一般会翘起来。氢看似稀疏轻薄，飘浮在深空中，组成飘忽不定的星云，但其实重于恒星。 此外，从光学角度来说，氢是完全看不见的。当然，你可以通过局部加热氢气，使其发亮：这就是星云，用双筒望远镜或者小型望远镜观察时它都十分漂亮。但这也仅占宇宙气体的一小部分，可以忽略不计：绝大多数氢是肉眼看不到的，在可见光波下全无踪影。幸运的是，对于天文学家来说，大自然一直都很仁慈：物理学定律使宇宙中最常见的氢在无线电波中闪闪发光。 以下是氢在无线电波中闪闪发光的原理：每个真空飘浮的氢原子都由一个质子和一个电子组成。可以想象一个微型的太阳系，其中小“地球”（电子）围绕着“太阳”（质子）运行（正确地说，量子力学告诉我们现实可能比这个简单模型更抽象、更模糊、更怪异，但为了便于理解，简单模型就够了）。质子和电子都会自动旋转，而自动旋转是“发亮”的重点。氢原子有两种可能的旋转方式：一种是质子和电子自旋同向，另一种则是反方向，物理学家分别称为“平行”和“反平行”。在这两种排列中，第一种——也就是平行——能量多一点。但如果耐心观察高能平行氢原子，不一会儿就会发生奇怪的现象：氢原子将自发地反转到反平行排列的方式。这种反转不需要外力，只要有足够长的时间，就会随机发生（尽管你必须等相当长的时间：一颗原子平均要等1000万年才翻转）。由于反平行模式比最初能量小，剩余的些许能量就会以无线电波的形式发射出来。利用氢原子的知识，我们能以惊人的精度计算出这种无线电波的波长为21厘米。 当我们用21厘米这段神奇波长仰望星空时，就能突然看到宇宙中最为重要的物质，绘制出银河系真正的外貌，观察切实的螺旋，这些都是不可能用普通望远镜看到的景观。银河系的螺旋臂是丰富的氢库（因此恒星大量集中在螺旋臂中）。在此氢库中，每颗氢原子，平均每1000万年就会翻转一次，发出无线电波。这听起来并不多，但要知道氢气的总量比太阳大数十亿倍，即使分布在数千光年，也能使我们银河系螺旋臂变成明亮的无线电信号灯塔。当然，其他星系也是如此，用21厘米波长无线电波“眼”观察邻近的螺旋状星系，就会看到非凡的景象。 读博期间，我大部分时间都花费在研究这冷氢气体上，了解它们在星系中的表现，并试图弄懂它们是如何影响新星形成的。在我开题后不久，甚大天线阵发现了一批新的无线电数据。这些数据可在21厘米波长下精细绘制附近星系的电辐射。我记得第一次打开图像，将21厘米波长图像与正常光线下拍摄的图像进行比较时，如同看见了昼夜之差，无线电所揭示的银河雄伟壮大，相比之下可见光的星系则十分渺小无趣。 我们认为是“星系”的物体——由我们肉眼看到的恒星和尘埃——只是冰山一角。可见光看到的银河螺旋臂，只是由内侧的星系和恒星组成，并非真正的边缘。在此之上，还有许多我们看不见的物体，向外延伸数万光年，大多由氢组成。相比之下，我们所熟悉的银河系有点像海洋中间的孤岛。我们能看到的部分只是巨大水下高山的顶端。这应该是对看不见的宇宙最贴切的描述。 由宇宙中氢云中发出的21厘米无线电波，是我们了解和绘制宇宙最重要的工具之一。在全球范围内，21厘米波长受到国际协议的保护：个人是不允许用这个波长发射无线电信号的，以防止干扰来自遥远宇宙的微弱信号。按照我们对21厘米无线电辐射的了解，我们甚至能通过它与可能存在的外星生命取得联系。“旅行者”和“先驱者”探测器于20世纪70年代发射，是唯二离开太阳系的人造物：如同承载人类信息投向宇宙海洋中的漂流瓶。两组探测器各自携带了我们寄给宇宙的信息，包括雕刻画、人类语言录音和音乐。先驱者牌匾的左上角描绘了两个氢原子：一个平行排列，另一个反平行排列。它们之间的连线代表的就是21厘米无线电波长。更为巧妙的是，这张图下面刻上了如星光一样的放射图案，实际是本地宇宙的地图，告诉解读者“我们在这里”。每条线都指向附近的一颗脉冲星，天文学家认为这是深空中最易识别的“地标”。但是，我们怎么告诉外星生命，让他们能辨别脉冲星的身份？设计师的解决方案是使用氢气的21厘米波长作为标记的尺度。如果有外星生命体存在，他们理所当然不知道人类的标准尺度，如米或秒。但如果他们了解自然，就会清楚氢气发出无线电波波长。连接每颗脉冲星的射线都刻有二进制代码，以氢气无线电波长为单位，告诉读者该脉冲星的旋转速度。这是我们能想象到最接近通用测量系统的概念。只要足够有智慧的外星人阅读，就应该能够破解其中的信息：我们是智慧生物，我们知道宇宙是如何运作的；我们在这里。 图6.3 载有人类讯息的先驱者镀金铝板 我们看到的宇宙不过是其真身的1%，马修·博思韦尔博士将带我们探索剩余的99%！暗物质、暗能量、黑洞……这些看不见的物质到底有哪些存在的证据，科学家又是如何感知到他们的存在？ 本书介绍了天文学的最新发现，生动有趣，通俗易懂，学术性与科普性兼备，可供天文学研究者、爱好者阅读，亦可作为天文学入门读物，值得一读！