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2011-04-19 01:05:21| 人氣3,452| 回應0 | 上一篇 | 下一篇

宇宙廣角鏡~遙遠的未來~地球與宇宙將發生什麼?

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    遙遠的未來~地球與宇宙將發生什麼?

 

著名物理學家史蒂芬·霍金稱:地球將在200年內毀滅,而人類要想繼續存活只有一條路:移民外星球!人類如果想一直延續下去,就必須移民火星或其他的星球,而地球遲早會滅亡,至於這個時間期限將在兩個世紀內。現今的人類已經步入越來越危險的時期,已經歷了多次事關生死的事件。由於人類基因中攜帶的自私、貪婪的遺傳密碼,人類對於地球的掠奪日盛,資源正在一點點耗盡,人類必須盡速移往另一個星球上。但是如何前往外星球?科學家估計,如果用化學燃料的飛行器,前往最近的適宜生活的星球需要5萬光年。如果想要在人類壽命期限內移民,必須研製出接近光速的飛行器,同時還要保持艙內的人們在飛行過程中能持續抵禦來自外太空的種種輻射。

 

在以千年、萬年和億年為單位的遙遠未來,地球與宇宙將會發生什麼?地球上形成超級大陸,海水被全部吸入地球內部,無數彗星撞擊行星,強力伽馬射線襲擊太陽系...這就是一些科學家所描繪的地球與宇宙可能的未來情景。兩千年後,地球磁場將發生逆轉,地球磁場的大部分是由地球中心的地核所構成,地核的主要成分是金屬鐵。地核的外側部分稱為外核,是像水一樣嘩嘩流動的鐵質液體。外核的流體運動產生電流,地球磁場由此產生。地球磁場與一般由條形磁鐵產生的磁場極為相似。由於地球磁場的N極與地理南極、S極與地理北極幾乎一致,所以在地表的大部分地方,磁力線是朝向北方的。

 

自地球誕生以來,地球磁場磁力線的方向已發生過多次逆轉。在最近的1000萬年間就發生了50次左右,幾乎是每20萬年發生一次。最後一次發生在28萬年前,而現在處在又一輪逆轉發生時期。在逆轉之際,地球磁場一端的磁力變小,而另一端的磁力卻逐漸增強。完成整個逆轉,需要幾千年的時間。現在科學家發現,地球的磁場強度正以每1005%的比例持續減少,如此下去,大約2000年以內,地球磁場幾近消失。地球磁場遮罩了來自太陽等輻射的高能帶電粒子流,起到保護地球生物的作用。在靠近磁極的地區(南極和北極),部分帶電粒子被運送到高緯度地區,通過與大氣中的原子或離子發生碰撞,釋放光或X射線。在高緯度地方看到的極光就是電子流與大氣中的氮原子、氧原子等碰撞引起的發光現象。如果地球磁場發生逆轉,就會形成許多磁極,這樣在低緯度地區的上空也可以看到極光。一旦磁場變弱,帶電粒子將到達低緯度地區,未能被臭氧層吸收的大量紫外線也將到達地表,這些帶電粒子和紫外線對生物的影響是不言而喻的。

 

究竟是什麼原因使地球磁場方向發生這種反反復複的變化呢?科學家們眾說紛紜,莫衷一是。多數人相信,地球磁場是地球內部液態鐵質流圍繞著地核中心倒轉產生的。當地球內部的液態鐵流發生某種變化時,就可能導致流動方向的180度倒轉,從而使地球磁場發生倒轉。地球的一天正逐漸地變長,月球正以每年大約3.8釐米的速度遠離地球而去。現在地球的一天(自轉週期)約為24小時,月球與地球的平均距離約為38萬千米。但是,10億年後,地球的一天將變為大約31小時,月球將遠離到41萬千米的地方。4.6億年後,人類可能永遠也看不到全日食了。日食是月球運行到地球與太陽中間,遮住太陽光的現象。從現在的地球上,我們所看到的月球和太陽的大小幾乎相同,因此可以看到月球完全遮住太陽的日全食,以及部分遮住太陽的日環食和日偏食。在未來,月球遠離地球,它看上去要比太陽小得多,因此月球全部遮住太陽變得不可能,未來的人類也就只能看到日環食或日偏食了。

 

地球的自轉為什麼會減慢,月球為什麼會遠離地球呢?在地球上,受月球的潮汐力作用,會引起潮漲潮落。面向月球及其相反方向的海面會因潮汐力而發生漲潮現象,這是由月球的引力和離心力作用而造成的。面向月球一側的漲潮是因引力大於離心力造成的,而相反一側則是因為離心力大於引力造成的。但是,實際上,海面要發生變化是需要一段時間的,漲潮側會比較偏向地球的自轉方向而不是月球方向。月球的潮汐力作用於漲潮海面之際,方向是與地球自轉相反的,因而對地球的自轉有牽制作用。這種牽制力會使地球自轉減慢,它的反作用則使月球從地球獲得能量,從而遠離地球。那麼地球的自轉速度會減慢到多大程度,月球將遠離到什麼地方呢?

 

現在月球大約每27天繞地球一周,伴隨月球的遠離,月球繞地球公轉的速度將減小,地球自轉的速度也將減小,後者的減慢比前者的減慢要快,最終,地球自轉週期與月球公轉週期將達到一致。若以地球上繼續存在海洋為前提來計算的話,大約140億年後,地球的自轉週期和月球的公轉週期都會變成大約47天,地球與月球的距離大約是現在的1.4倍,即大約55萬千米。這時的月球從地球上看應該是經常處在同一位置,海面在向著月球的方向漲潮,方向的偏離也就不存在了。最後,造成地球減速的原因消失,地球自轉和月球公轉不再減慢,月球也不再遠離地球。

 

每隔2600年,彗星雨襲擊行星,考慮到大約1億年後在太陽系近旁可能發生超新星爆炸、大約65億年後太陽將發生膨脹,那時數量眾多的彗星將闖入太陽系的中心部分,襲擊行星,如果那時地球上還存在著生命的話,那又是一場生物大滅絕。太陽系是一個以太陽為中心的行星系,呈圓盤狀分佈。在海王星的外側,在距離太陽100天文單位(1天文單位是地球與太陽的平均距離,為1.496億千米)左右的地方,有一個柯伊伯彗星帶。自1990年以來,天文學家已先後在那裏發現了幾十顆直徑超過100千米的彗星。此外,在1萬~10萬天文單位的地方,有包圍太陽系的無數彗星,被稱之為奧爾特星雲。

 

柯伊伯帶和奧爾特星雲大約是在45億年前太陽系誕生時形成的。現在,最靠近太陽的恒星大約距離太陽100萬天文單位,因此柯伊柏和奧爾特星雲距離太陽系更近,所以主要受太陽的引力支配。現在已知的地球生物大滅絕事件不單只有著名的6500萬年前的恐龍絕滅事件,過去已發生過十餘次,仔細調查其發生的間隔,大約是2600萬年。彗星闖入太陽系似乎也有週期性,大約也是2600萬年。如果確實是這樣的話,那麼,在奧爾特星雲中的彗星要麼逃逸太陽系,要麼反過來墜落到太陽系中心。如果彗星衝撞地球,就會導致地球上大量生物的滅絕。

 

1000萬年一次,伽馬射線直射地球。現在已知在宇宙距離地球數十億光年的遠方會突然發生伽馬射線爆發現象,其原因還是一個謎,但有專家認為與黑洞有關。紅超巨星在死亡之際會發生大爆炸,大量氣體擴散到宇宙空間中去,之後留下中子星。這是普通的超新星爆炸。但是,超過太陽30倍以上品質的巨星在發生爆炸時,由於重力作用,將發生坍縮,在巨星的中心形成黑洞。巨星的外層部分會一邊旋轉一邊掉進黑洞,這時大量的能量被釋放,並以接近光速的速度成噴射狀噴出。這種噴射將猛烈射向宇宙空間,如果撞上前一撥噴射,就會形成高溫火球,釋放大量的伽馬射線。伽馬射線爆發產生的能量可以達到普通超新星爆炸能量的幾十倍到幾百倍。專家從有限的觀測估計,在銀河系內每1000萬年就會發生1次伽馬射線爆發。大量來自宇宙的伽馬射線會被地球大氣吸收,不會直達地表。但是,由於大氣物質與伽馬射線的反應,伽馬射線仍有可能對地球生態系統造成巨大的打擊,比如破壞地球大氣臭氧層,而某一次高能量的伽馬射線爆發則可能通過大氣並與某些物質反應生成放射線物質,此時地球表面就會受到大量宇宙線的照射。專家認為,過去發生的幾次生物大滅絕不排除是由伽馬射線爆發引起的。

 

2.5億年後,地球七大洲再次合而為一。地球由表及裏依次由地殼、地幔和地核組成,其中地殼擁有陸地和海洋,平均厚約為30千米。自地殼以下到2900千米處,是主要由橄欖岩構成的地幔,橄欖岩是一種以鎂的矽酸鹽為主要成分的岩石。再往下,是主要由鐵礦石構成的地核,地核半徑約為3470千米。最近科學家發現,地表以下有一層70150千米厚既硬又冷的岩石圈,包括海洋(地殼)底板和大陸地殼底部及地幔外層的一部分。在這層岩石圈下面則是軟流圈,厚度為550620千米,具有可塑性,內部溫度較高。岩石圈下部是局部熔化的岩石,容易滑動,是造成地球陸地變遷的主要因素。我們知道,造成板塊運動的是對流。在地球內部,越往裏溫度越高。地球深處的溫度較高的岩石受熱力驅動,往較冷的區域即地球上層緩慢運動,而地球較外層的溫度較低的岩石則相反,熱力驅動它們逐漸插入地幔深處(甚至地核),吸收熱量熔化後又會向上移動,就這樣完成一次涉及整個地幔層的大循環。在這種熱岩石上升、冷岩石下降的過程中,地球板塊就在大洋中脊處生成、移動,並在海溝處深入地球內部。2億年前,地表上只有一塊大陸(稱泛古陸)和一個海洋(稱泛大洋)。正是岩石圈上板塊的移動,致使整塊大陸逐漸分裂(各板塊滑移速度不一致),使得現在地球的表面由13個大小不一的板塊組成,形成了七大洲及各大洲之間的海洋。

 

大約2.5億年後,像過去泛古陸那樣的超級大陸將再度出現在地球上。專家預測,義大利、希臘和地中海地區所處的非洲板塊將與歐洲大陸發生碰撞,板塊部分被抬高,形成一個高度可與喜馬拉雅山匹敵的高山,不列顛群島將被推到接近北極的位置上。另一方面,澳大利亞大陸逐步朝北移向歐亞大陸。5000萬年後,澳大利亞與西太平洋的加里曼丹島接壤,接著與日本列島碰撞合併,使日本海消失,澳大利亞成為亞洲的一部分。而且兩塊大陸在舊日本列島附近的擠壓將形成一座山脈。同時,南北美洲將與非洲和歐洲相隔越來越遠。地心此時會流出新岩漿,在大西洋形成狹長的海脊,使大西洋進一步擴大。不過,地質學家相信,一個潛設區域稍後將會出現。潛設過程將由大西洋的西邊展開,最後連海脊也被拉到地球內部。屆時,大西洋會停止擴大,相反地,將開始萎縮直至消失。2.5億年後,南北美洲會跟合併了的歐非大陸結合,並在邊界交接處擠壓出一道極高的山脊。到那時,地球各大洲重新組成超極大陸的過程即告完成。超級大陸在出現的同時也面臨著最終解體的命運。過去泛古陸分裂時,引起史上最大的生物滅絕事件。2.5億年後,或許人類不復存在也未可知,但是承載未來生物的地球被地球內部的運動顛簸不停,走向新的地質時代的過渡期。

 

10億年後,海水被全部吸入地球內部。地球上的海水從何而來?至今仍是縈繞科學家心頭的一個謎。遼闊的海洋占地球表面近3/4的面積,擁有地球總水量的96.53%。從地球演化史來看,地球表層的海水總量不是一成不變的,不過直到上個世紀中葉,地質學家才認識到這一點,他們還發現8億年前海水總量要比現在大得多。那麼,海水為什麼會減少呢?首先,讓我們來瞭解一下現在海水的大規模迴圈機制。地幔物質內含有水分,由於地幔容積相當大,所含的水量也相當可觀。由於對流運動,地幔物質一接近地表,其中一部分就會熔化形成岩漿,此時,在固體地幔中所包含的水會向岩漿轉移,不久便排出地表。目前,每年從大洋中脊生成的玄武岩岩漿大約給地表帶來了7500萬噸水,從諸如日本列島那樣的板塊隱沒帶的火山處生成的岩漿大約帶來了1.5億噸水,每年合計約有2.3億噸海水從地幔移向地表。

 

那麼從地表流向地幔的海水量是多少呢?在海洋中生成新板塊之際,形成的岩漿在凝固時會與海水發生劇烈反應,海水被吸入礦物質之中。這樣,海洋板塊吸收水分後呈水準移動並自海溝處下沉,此時會出現脫水情形,造成吸入的一部分海水回到地表。不過,下沉的板塊如果年齡相當古老且處於低溫狀態時,板塊所吸入的海水就會不被分解地移動至410千米以下的地幔儲藏起來。深度在410660千米的地幔能夠儲藏地表海水總量的5倍,由海溝處被運送到此層的海水量每年大約有11.2億噸,這表明移往地幔的海水量大約是地幔移至地表海水量的5倍。如果簡單地以現有的速度估算,可以推測出,在1億年間,海平面將下降250米,也就是說,現在的海水在15億年後將會被地幔吸光。而現在這個速度明顯地比過去更加快了,所以預計未來海平面下降的速度也會越來越快,可能大約10億年後,地球會失去其表層的所有海水。

 

銀河仙女相撞太陽將被流放。數十年來,天文學家已知銀河系與鄰近的仙女座星系處於相撞的運動過程中。而人們還不知道的是:在這次碰撞中我們所處的太陽系和太陽的命運將會如何。根據理論學家T.J. CoxAvi Loeb(哈佛-史密斯尼亞天體物理學中心)的計算,顯示太陽及其行星將被屏棄在融合的星系之外,而且,碰撞將發生在太陽的有生之年內,也就是說在它變成一個能量耗盡的白矮星之前。在幾十億年後銀河系和仙女座星系碰撞時,太陽將被推入外太空。可以說我們正被送到一個國家的流放之所。我們現在住在銀河系的近郊區,而在宇宙崩潰到來之後我們將被流放得更遠。

 

Cox Loeb所進行的電腦類比顯示這一巨大變化將發生在20億年之內,當銀河系和仙女座星系經歷它們的首次接觸時。仙女座巨大的拉力將把星星們從它們的軌道上拉走,如果在地球上觀測的話,能看到夜空中的星星變得亂七八糟。那時太陽還是一個以氫燃燒為主的星球,儘管它已經變得更加明亮,並且熱得蒸幹了地球上所有的海洋。兩大星系將彼此旋繞兩次,在重力攪動下混合它們的星球。約50億年後,仙女和銀河將完全混在一起,形成一個獨立的、橄欖球形的橢圓星系。太陽那時將變成一個年老的星球,接近紅巨星階段。它和太陽系可能會處於遠離新星系中心10萬光年的位置,比現在的2.5萬光年足足遠了4倍。人類的後代看到的將是一個截然不同的天空。銀河系的星帶將完全不見,能看到的是數十億星星所組成的巨大的凸起。未來的科學家回顧今天的研究可能會把它認做是第一次的預言。

 

據英國《新科學家雜誌》報導,太陽系的軌道運行機制並不意味著永久不變,一項最新研究顯示,未來有一天,太陽系將處於混沌狀態,地球可能會與金星碰撞,或者與火星近距離親密接觸。我們知道太陽系的行星在未來幾十億年運行期間不會始終穩定不變,由於微弱的重力作用將導致無法預測的現象發生。從最新科學研究角度來講,太陽系是處於一片混沌狀態的,是否未來輕微的混沌變化將導致太陽系內行星出現災難呢?水星是未來太陽系出現混沌狀態的關鍵性因素,由於水星與木星具有一定的相似性,水星的近日點以每1000年的時間移動1.5度的速率移動,而木星的近日點變化也與此十分相似,只是略緩慢一些。

 

未來有一天,水星和木星將在軌道上同步運行,木星持續不斷的重心引力在積累效應下將使水星脫離原來的運行軌道。2008年,法國巴黎天文臺的賈克斯-拉斯卡爾(Jaques Laskar)領導研究人員進行了一項研究,他們發現水星軌道的輕微變化將形成較大延伸的橢圓軌道,使其存在著與金星發生碰撞的潛在可能性。他們在研究中使用一種數學方法計算了太陽系內行星運行軌道的平均變化性,儘管該方法具有一定的局限性。拉斯卡爾說:當行星之間接近于碰撞狀態時,將預示著太陽系處於混沌狀態。拉斯卡爾和研究同事直接進行了2500次未來可能的行星模擬變化,將預測的時間延長至未來50億年,那時候太陽將變成一顆紅巨星。

 

2500次行星模擬變化中,每一次都與原始狀態有著輕微不同,在兩次不同時期的模擬變化中,水星的位置將變化1米。在20項模擬變化中,水星最終將進入一個危險的軌道範圍,可能會與金星發生碰撞,或者碰撞在太陽上。由於水星的軌道變化,其重力作用很可能改變其他行星最初的軌道路徑,其中一次類比變化顯示由於水星的軌道變化將導致火星與地球發生碰撞。通過這項模擬研究,拉斯卡爾還發現未來50億年裏火星可能直接碰撞地球,或者火星可能脫離太陽系,或者近距離接近地球,受地球重心引力作用將火星部分物質撕碎,形成雨點般的碎片墜落在地球表面。太陽系內部行星軌道出現攪動性變化,還有可能導致地球與水星和金星發生碰撞。

 

50億年後仙女吞噬銀河而地球將荒無人煙。根據美國哈佛大學史密森天文物理學中心科學家們的計算,地球、太陽和其他兩個距離我們較近的行星有可能成為另外一個星系的成員。按照天文學家們的預測,我們所處的銀河系和臨近的仙女座星系數百萬年來一直在相互吸引,如果這一過程持續下去,那麼最終的結果將是:銀河系被仙女座星系所吞噬,兩者重新組成一個更為龐大的星系。專家們表示,在融入新形成的星系後,我們的地球將有可能成為一顆完全不同的行星。除此之外,由於受到引力的作用,太陽系將會和其他成百上千個恒星系統一樣,發生分裂。當然,我們不必對此感到驚慌,因為上述結果要在50億年後才會發生。而在此之前,人類可能早已被毀滅過數次了。另外,即使人類得以在戰爭、氣候災害和小行星撞擊中倖免,到那時,太陽也將會耗盡所有的能量並開始膨脹,逐漸將地球變成一個大火球。之後,太陽將開始冷卻,而地球最終將是一個荒無人煙的冰冷世界。

 

科學家們表示,我們的太陽系位於銀河系的邊緣地區,不過,在與其他星系接近的過程中,整個銀河系的旋轉速度都會顯著加快,並最終導致太陽系向銀河系的內部移動。據參與此次研究的科學家介紹:銀河系與其他近40個相距並不十分遙遠的星系組成了一個星系團,它們之間或多或少地都存在著相互的引力作用。這其中,銀河系和仙女座星系是最大且靠的最近的兩個星系--它們間的距離只有250萬光年。最新的計算顯示,仙女座星系的引力要明顯強於銀河系,其結果是,後者正在以每秒120公里的速度向前者靠近。天文學家們在使用電腦模型進行推算後確定,銀河系和仙女座星系的碰撞將會分兩個階段進行。在第一階段,也就是20億年後,太陽將會發生劇烈變化,屆時,引力的強大作用也會改變兩個星系的形狀--在它們的身後將會形成一條由塵埃、氣體、恒星和行星組成的尾巴

 

而在第二階段,也就是再過30億年,兩個星系將會發生直接聯繫並最終形成一個橢圓形星系(需要提醒的是,目前兩個星系均為螺旋形星系)。而據科學家們預測,太陽這時將會變為一顆中子星。與此同時,按照專家們的計算結果,在銀河系與仙女座星系完全融合後,太陽和部分殘留下來的行星將會停留在距離新行星中心6.7萬光年遠的地方。專家們指出,有大約3%的可能,在第二階段的融合過程中,太陽系將會被拋向兩個星系的中間--這裏的引力極其強大,處於其中的所有行星都將被摧毀。科學家們表示,他們將會在2011年對自己的預測做出驗證:屆時,歐洲空間局的該亞探測器將發射升空,它將會確定出銀河系和仙女座星系的移動速度,並測量各恒星位置的變化情況。

 

美科學家稱大爆炸證據或1萬億年內消失。據美國太空網報導,宇宙如何開始是天文學家一心要揭開的謎團,為了尋找這個問題的答案,他們也許應該加快腳步,因為美國天文學家進行的一項新研究指出,在遙遠的將來,有關大爆炸的絕大多數證據都將消失。137億年前,大爆炸創造了宇宙。雖然未來的天文學家可能因更先進的技術以及對物理學更深入的瞭解受益,但殘留下來的大爆炸證據最後遺跡對他們來說可能成為廢物。研究人員表示,大爆炸的痕量信號可能在1萬億年內消失。實際上,到那個時候,我們的銀河系將與它的鄰居仙女座相撞,最後孕育出銀河仙女星系。研究人員同時指出,我們的子孫後代(如果人類還存在的話)仍可以利用一些備份線索,瞭解宇宙的歷史。

 

天文學家能夠觀測到130多億年前的星系,它們在宇宙誕生後幾百萬年形成。此外,他們同樣研究所謂的宇宙微波背景輻射,這是宇宙中普遍存在的光線,由大爆炸形成,現在仍存在於宇宙中。在遙遠的未來,這些線索不可能被地球上或者附近天體上的科學家觀測到。宇宙微波背景輻射將隨著時間推移逐漸退卻,在伸展到一定程度後,輻射中的光粒子--光子將擁有比可見宇宙更長的波長。由於宇宙不斷膨脹,我們當前能夠觀測到的古代星系將進一步遠離地球,導致未來的科學家無法觀測到。太陽和其他很多恒星將燃燒殆盡,我們附近的宇宙區域也將比現在更為空曠。但未來天文學家並非一點希望也沒有,因為他們可以利用從銀河仙女星系飛出的所謂的極高速恒星研究大爆炸。這些恒星將成為西元1萬億年我們所在星系的天文學家能夠觀測到的最遠光源。

 

美國麻塞諸塞州劍橋市哈佛-史密森尼天體物理學中心理論與計算研究所負責人阿維·勒布在一份聲明中表示:我們過去經常認為觀測宇宙學將在1萬億年後成為一種不可行。我們現在知道事實並非如此。極高速恒星將允許銀河仙女星系的居民瞭解宇宙擴張並追溯過去的歷史。極高速恒星由雙星距離星系中央的大品質黑洞過近時形成。黑洞巨大的引力將撕裂這種組合,其中一顆被吞噬,另一顆則被拋出星系,速度超過每小時100萬英里(約合每小時160萬公里)。逃離星系後,極高速恒星將因為宇宙膨脹速度不斷提升。通過測算極高速恒星的速度,未來的天文學家能夠推演宇宙擴張,進而研究大爆炸。通過將來自極高速恒星的銀河仙女星系年齡資訊結合在一起,我們的後代可以計算出宇宙的年齡以及其他重要變數。勒布說:未來的天文學家並不一定要從大爆炸的角度進行研究。通過認真仔細的測算和分析,他們能夠發現微妙的證據,描繪出宇宙歷史的圖畫。

 

據美國國家地理網站報導,美國科學家進行的一項新研究發現,銀河系可能至少擁有20億顆類地行星。研究論文作者指出,但我們沒有必要馬上對這些世界進行殖民,因為這一數量實際上遠遠低於很多科學家的預計,我們很難在銀河系尋找到第二地球。這一估計立基於美國宇航局開普勒太空望遠鏡的觀測資料,在設計上,開普勒望遠鏡用於搜尋在恒星前方穿過的行星。根據這架望遠鏡的觀測資料,研究論文作者認為銀河系的類日恒星中最多只有2.7%擁有所謂的類地行星。宇航局位於加利福尼亞州帕薩迪納噴氣推進實驗室的科學家、研究論文合著者喬·卡坦紮利特表示:銀河系的類日恒星數量大約在1000億顆左右,其中只有2%左右擁有類地行星。也就是說,銀河系的類地行星數量在20億顆上下。宇宙中與銀河系類似的星系有500億個左右,如果每一個都擁有20億顆類地行星,就太令人不可思議了。

 

卡坦紮利特和另一位合著者——同樣來自噴氣推進實驗室的邁克爾·肖指出,這一數字似乎非常巨大,但他們的研究結果顯示類地行星實際上相對稀少。如果事實果真如此,這也就意味著科學家應該為未來研究類地行星化學信號的任務鎖定適當的恒星目標。通過研究化學信號,科學家能夠確定行星是否擁有氧氣、液態水或者生命跡象。自2009年以來,開普勒望遠鏡便開始觀測天鵝座附近的太空區域,對這一區域內的15.6萬顆恒星發出的光線進行觀測。借助於所攜帶的儀器,這架望遠鏡可以確定恒星的亮度是否週期性變暗。發生這一現象說明存在繞恒星軌道運行的天體。截至20112月,開普勒望遠鏡已經發現了15顆新行星以及1235行星候選者,其中包括迄今為止在太陽系外發現的體積最小的行星。天鵝座附近區域可以被當成一個代表性樣本,根據這個樣本推測銀河系的類地行星數量。為了推斷可能的第二地球數量,卡坦紮利特和邁克爾首先根據開普勒獲取的兩種資訊判定類地行星,一個是行星的體積,另一個是行星與所繞恒星之間的距離。

 

卡坦紮利特說:“1993年一項著名的研究計算了所謂的適居區的類內類間距離。這一區域既不太熱,也不太冷,允許行星表面存在液態水。最近有科學家指出這些界限有些保守,距離也許可以再近或者再遠一點。由於溫室氣體的存在,行星即使距離再遠一點,仍是一個較為溫暖的世界,由於雲層存在——此前的模型並未將其考慮在內——即使再近一點,表面仍可保持涼爽。擁有一條類似地球的軌道似乎最為理想。他說:如果行星與所繞恒星間的距離低於地日距離,你就會被烤焦,水則變成蒸汽;如果過遠,水則凍成冰。接下來,卡坦紮利特和邁克爾將目光轉向行星的體積,並以地球半徑(行星中心與表面之間的距離)作為參照。卡坦紮利特說:人們普遍認為體積最小的適居行星體積應為0.8個地球半徑,或者說品質大約相當於地球的一半。原因在於:如果品質過低,行星無法保持氧氣的存在。達到2個地球半徑的便已是最大的類地行星。如果品質過大,行星便開始聚集氫氣,就像海王星或者天王星一樣,與此同時,大氣壓也讓人無法呼吸。

 

通過數學模型,卡坦紮利特和邁克爾根據體積和半長軸對開普勒發現的行星和行星候選者進行製圖。行星的半長軸是指行星與所繞恒星間的平均距離,能夠揭示出行星是否處在適居區。數學模型同樣將這樣一個事實考慮在內,開普勒望遠鏡只能觀測到以我們能夠觀察到它們在恒星前方穿過的方式排列的行星。可能存在我們未能觀察到的其他行星,原因就在於它們的軌道傾斜。為此,研究小組利用此前的系外行星資料,評估這些無法觀察到的行星存在的可能性。研究結果顯示,根據傳統的適居區邊界,1.4%的類日恒星擁有類地行星。如果擴大適居區的邊界,則有2.7%的類日恒星擁有類地行星。

 

基於這些資料,開普勒將最終在所觀測區域發現12顆類地行星。在已發現的候選天體中可能就有4顆類地行星。其他行星搜尋者表示,現在就判定存在多少第二地球還為時尚早。麻省理工學院行星科學家、開普勒專案成員薩拉·肖格指出:這項研究完全低估了類地行星的可能數量。計算銀河系類地行星數量不得不立基於大量假設,開普勒的任務剛剛開始,所獲得的觀測資料並不完整。她說:如果對美國進行人口普查,你應該去加利福尼亞州,敲開每一扇門,這樣才能推斷出其他地區的人口數量。這也是開普勒望遠鏡正在做的工作。

 

此項新研究開普勒望遠鏡至少要進行3年半的行星淩日資料收集工作,允許科學家在以後進行更為完整的行星普查。肖格說:如果開普勒望遠鏡能夠在未來幾年找到這個問題的答案,我更願意等待,而不是進行推斷。另一個不得不考慮的問題是,根據開普勒望遠鏡獲取的資料,我們無法判斷一顆給定行星是否就是類地行星。單從體積判斷,不足以確定適居性。肖格說:地球和金星的體積和品質相當,並且都處於太陽系的適居區,但金星並不是一顆適於居住的星球。在我看來,類地行星必須擁有與地球類似的品質、體積和軌道並且表面有液態水存在。在進行大氣研究前,我們無法得出準確的結論。開普勒望遠鏡只發現了與地球體積相當的行星,我們永遠不能將其稱之為類地行星

 

卡坦紮利特表示早期的研究需要進行一些推測,但推測也能產生積極作用,因為最合理的估計能夠幫助天文學家設計適當的任務,以在未來確定一顆給定的行星是不是第二地球。他說:一些人認為類地行星數量可能超出預計。肖格的觀點可能是正確的,我們得出的新估計可能過低,但是否真的如此現在還是一個未知數。一個能夠改變卡坦紮利特所得估計的因素是,開普勒望遠鏡並不能觀測到一些行星的淩日現象。他說:我們做出這樣的假設,即在對15.6萬顆恒星進行觀測時,開普勒望遠鏡能夠觀測到所有擁有類地行星半徑和軌道距離的較小行星。如果開普勒望遠鏡無法做到這一點,我們便低估了類地行星的數量。在開普勒任務結束後,我們將採用同樣的方式對所有開普勒資料進行研究,以得出一個更為準確的數字。

 

天文學家發現一個銀河系附近的近鄰星系核心部位同樣存在一個超大品質黑洞。在銀河系的核心,存在一個被稱作人馬座A(Sagittarius A*)的射電源,這裏被認為是一個品質巨大的黑洞。而這次的發現,可以說就是發現了人馬座A的姊妹。天文學家們使用位於智利的歐洲南方天文臺甚大望遠鏡(VLT)和美國宇航局的哈勃空間望遠鏡對旋渦星系NGC 253進行了研究。NGC 253又稱為玉夫座大星系銀幣星系,位於南天的玉夫座,距離地球約1200萬光年。它是玉夫座星系團的成員,這是距離銀河系最近的星系團之一。安德里亞·吉茲(Andrea Ghez)是加州大學洛杉磯分校的物理學和天文學教授,研究領域主要是恒星和行星。她告訴記者,她們發現此處存在一個已經形成數十億年的黑洞。這有可能是許多大品質恒星在生命終結時塌縮形成的,並且在此之後出現了相互融合,並最終形成這樣的單個超大品質黑洞。

 

天文學家們長久以來一直懷疑在我們所在銀河系的中央部位存在一種神秘的巨大力量。這個力量的源頭距離我們太陽系大約2.6萬光年。直到近幾年,天文學家們才基本瞭解這種神秘的力量來自何處。吉茲教授的研究重點在於恒星和行星的早期演化,以及星系內物質的本質及其分佈規律。借助更先進的觀測設備和手段,她的小組得以觀察到這個星系核心部位的精細圖像,並發現此處的恒星正以極快的速度運行。這樣的高速運動只能以中央部位存在黑洞進行解釋。但這和大品質恒星生命終了時產生的恒星級黑洞有著本質的不同。這種位於星系核心部位的黑洞擁有數十萬倍太陽品質,因此被稱為超大品質黑洞。

 

黑洞是由於物質塌縮形成的密度極高的形態,其引力將強大到任何物質不能逃脫,包括光線。正是由於這種特性,黑洞無法被直接觀測到,但它的引力作用會對周遭的星系和其他物質產生影響,從而為科學家們提供線索。我們的銀河系中央存在一個品質達到300萬倍太陽品質的黑洞,位於人馬座方向,它隱藏在夏季的南方夜空中。這個黑洞被稱為人馬座A”。但黑洞內部究竟是怎樣的情景,至今依舊是物理學中最大的謎團之一。黑洞存在的理論依據最早源自阿爾伯特·愛因斯坦提出的廣義相對論。根據這一理論,進入黑洞的物質將被壓縮至中央的一點上,這個點具有無限大的密度,稱為奇點。但是倫敦大學學院(UCL)的克利斯蒂安·博馬(Christian Böhmer)教授提出了一種新的理論,稱為量子圈”(quantum loop)。根據這一理論,物質被吞入黑洞內部之後將進入另一個完全不同的宇宙空間,或陷入一個類似蟲洞的連接通道,通向另一個黑洞。

 

自從1995年以來,吉茲教授借助位於夏威夷莫納克亞山的凱克-1望遠鏡進行觀測。這是全世界目前最大的地基光學和紅外望遠鏡設備。科學家小組在此對旋渦星系NGC 253中心的200多顆恒星的運行情況進行了考察。她們發現其中20顆非常靠近黑洞的恒星的運行速度高達每小時300萬英里(483萬公里),這是恒星常規運行速度的10倍。她的工作,加上其他科學家們所做的研究工作一起,幫助人們得到這樣一個結論,那就是:宇宙中的數千億個星系中,全部(或至少絕大部分)的核心部位都包含有一個超大品質黑洞。除此之外,科學家們還注意到這種黑洞的品質和性質與其所在宿主星系的大小和性質緊密相關。黑洞既是毀滅者又是創造者。它吞噬一切靠近它的物質,但在此過程中又會發出超高能粒子束和劇烈的輻射。這種超大品質黑洞的研究進展正將天文學家和天體物理學家們的興趣重新帶回黑洞領域。

 

從1915年愛因斯坦的工作奠定了黑洞研究的理論基礎,但是在那之後對於黑洞機制的研究卻幾乎停滯不前,原因就在於幾乎沒有任何辦法可以對這種奇異的天體進行直接觀測。直到現在有關黑洞的研究依然被重重謎團阻撓。如這種超大品質黑洞究竟是如何逐漸形成的?很多研究已經給出了一些答案,但是要取得科學界的一致意見,仍然尚需時日....

 



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台長: 幻羽

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