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总有人问我能不能夜观天象、指点天气?搞天文的表示,这真不会 | 戴昱

2022-11-01

2022年8月27日,“科普中国-我是科学家”第38期“宇宙漫步指南”演讲现场,中国科学院国家天文台研究员戴昱带来演讲:《星系也会“吃”东西,有的吃了还“吐”》。

戴昱演讲视频:

 

大家好,我是国家天文台的研究员戴昱。

我是做天文观测的。很多人听到我的职业就会问我:戴昱你是不是特别浪漫?经常周末跑到野外去,抱着心爱的望远镜、冲着天空一望就是一宿?更有甚者还会问,你是不是晚上会抱着宝剑去天文台,跟诸葛亮一样借东风?或者,夜观天象,指点明天的天气?

当然不是。真正的天文望远镜观测,大多数时候就是坐在台子前,对着一堆电脑,它们有调试望远镜朝哪的,有直接显示星空的。有些大型望远镜,还需要很多人一起协同观测。这些跟浪漫是一点都不搭边。

而这些才是我们真正的日常。

但是,我能想到最浪漫的事情,是在通往望远镜的路上。地球上最好的几个天文台,周围有非常好的风景。比如夏威夷的Mauna Kea,周围有火山岩堆起来像马蹄一样的路;智利的ALMA,北部观测条件非常好,季节合适的话,路上可以看到盐湖,盐湖上甚至可以看到火烈鸟;还有我们国家的“天眼”,周围非常的青翠;青海的冷湖天文台,也是一个观察条件非常好,风景非常优美的地方。

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那天文学研究的到底是什么呢?以前中国的小朋友有一本开蒙用的书《千字文》,一上来,八个字扑面而来:“天地玄黄,宇宙洪荒”。宇宙两个字分开来,“宇”代表的是空间,“宙”代表的是时间,天文学就是研究空间和时间的一个学科。

《千字文》接下来八个字更有意思:“日月盈仄,辰宿列张”。讲得是日月盈亏,还有天穹上的天体分布。天体有很多的类型,最小的是卫星,比如月亮,卫星绕着转是行星,比如地球,地球再往上是恒星,比如太阳,很多恒星的集合就是我们今天的主题——星系。所有在星系引力场里的恒星、尘埃、气体,包括暗物质、暗能量,都属于这个星系。

我们身处的银河系就是星系,里面有千亿颗恒星,我们的太阳并不在银河系的中心,而是距离中心有两万多光年。这是什么概念?一光年是光在一年里面传播的距离,大概9万亿公里,或者是6多万倍地球到太阳的距离,所以天文学研究,是真正穿越时空的旅行。

下面这张图里的M33和M31都是星系,其中M31是仙女座星系,M33是人类肉眼能看到最远的星系,大概离地球300万光年。NGC752虽然长得很像星系,但其实是疏散星团。

仙女座星系M31 | Astrosurf

那么怎么区分到底是星系还是疏散星团呢?这就涉及到一个红移的概念,有红移的基本都是星系。

先来解释一下红移,大家听过救护车从身边开过吗?它的喇叭从远到近,又从近到远,声音的频率会发生很大变化。靠近时声音很急促,远离时声音被拉长,这种频率的变化就分别对应着天文学中的蓝移或者红移。一百年前,哈勃发现了宇宙是持续膨胀的,也就是说,我们和星系之间的距离不是固定不变的,有些星系在远离,有一些则在靠近,远离我们的星系就有红移,反之靠近我们的就是蓝移。

我主要关心的领域是星系的形成和演化

星系是怎么产生的呢?这要追溯到137亿年前宇宙诞生的时候:大爆炸发生后,宇宙经历了超光速的暴涨,密度的扰动会造成我们现在看到的微波背景辐射,经历了一段时间的沉淀,扰动到一个密度比较高的值后,第一批恒星就慢慢形成了,慢慢地恒星又形成了星系。

在我看来,宇宙的演化过程跟《庄子》里有一段话说得很相似。

“南海之帝为倏,北海之帝为忽,中央之帝为浑沌。倏忽日凿一窍,七日而浑沌死。”

就是说,在“倏忽”,也就是时间的作用下,宇宙浑沌的状态结束了,慢慢地整个宇宙变成了有七窍、有结构的一个状态,就是我们现在看到的宇宙。

大家知道我们现在发现最早的星系是多早以前吗?135亿年前,这是2022年7月刚被打破的记录,是韦布望远镜的第一批结果。韦布才刚刚运行不久,在接下来的几年甚至几个月以内,这个记录很有可能还会被再一次打破。

我们还发现有一个非常有趣的类比。下面这两张图左边是中国的地图,展示的是城市晚上的灯光,右边是观测到的宇宙大尺度结构。如果把城市和星系放大来看,会发现它们之间很相似,都有明显的聚居行为(星系团和城市群)。而且,两者之间不仅是结构上的相似,形成原因也有相似性——都是因为人口密度或者恒星密度达到一个极限值后,就出现了城市或者星系。

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城市灯光 | NASA/Max Planck Institute

关于星系与人类社会,我的好友天文学家王涛博士有一段非常精彩的论述:“人们向大中城市的聚居行为,很大程度上可以用类似引力的特性描述,如城市吸引力与大小成正比,与距离呈反比。”

还有一个有趣的类比:当恒星的密度在一个星系里越高,这个星系生长的速度就会变慢,这跟人口密度高的地方生育率下降是类似的。

这些类比很有趣,但需要澄清一点:它们绝对不是科学论证。但是,归根究底为什么会有这种相似性呢?因为不管是天文学还是社会学,都是通过研究复杂系统,来描述研究对象行为方式的科学。所以有时候,科学家会通过类比,寻找不同的学科的联系,有时会得到不少研究灵感。

继续说回星系。我最关心的是星系的演化,也就是它的成长。它怎么长大呢?其实,跟人类很像,星系的成长需要“吃”东西,而且星系的“吃”还分两种。

第一种方式是相对缓慢的,从周围环境中吸取物质,然后慢慢消化,变成了恒星。那么,如何衡量一个星系“吃”的多少?一般用恒星质量来衡量,恒星产生得越多,质量增加得就越多,也就是“吃”得越多。

第二种方式的“吃”发生在星系的中心,也就是黑洞。现在几乎所有理论和观测都认为,大质量星系中心存在密度很高的核球,核球的中心是超大质量黑洞,这样才能把整个星系通过引力束缚在一起。经过接近10年的观测,天文学家发现在银河系的中心,人马座α里,所有的恒星都围绕着一个点在运动,这个点就是它质量的中心,也就是银河中心的超大质量黑洞。为什么说它是超大质量呢?因为它大约有400万个太阳那么重。这个发现在2020年获得了诺贝尔物理学奖。

黑洞在不停地吃东西,而且它吃的东西会在黑洞周围形成一个吸积盘,相当于物质在黑洞周围排着队,等待被吃掉。但是在排队等待的过程中,有很大一部分物质的质量直接被转换成能量了,著名的质能转换公式E=MC2就是在描述这个过程。

当质量都变成了能量,这些能量会发出巨大的光芒,让这个黑洞看上去非常亮,以至于整个星系的光芒都被黑洞所遮掩了,所以在我们眼中看起来就像是一个明亮的恒星,但实际上它是星系,这种星系叫类星体。

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类星体中心的尘埃环与吸积盘 | STSCI & NASA

类星体因为“吃”东西的速度非常快,所以不能很好地吸收,经常会“吐”。这里的“吐”指的是物质在还没有进入黑洞前就被推出去了。根据被推出去速度的快慢,分为高速的喷流,以及慢速的外向流。喷流的速度非常快,一开始甚至接近光速,所以喷流的尺度可以到达星系大小的几倍、几十倍,甚至几千倍。而外向流喷出来的物质速度不大,就会在黑洞周围,形成像小泡泡一样的形状。

星系形成的途径,除了“吃”,还有一种就是星系并合:两个星系很靠近时,会受引力吸引,彼此在引力作用下,慢慢地经过几个回合,并合成一个星系,这是一种非常高效的生长方式。

通过观测,我们发现宇宙中很多星系并不是孤立的。在它周围可能就有一个伙伴,或者它可能正在进行并合。比如下面的NGC2623,就是一个非常有名的并合星系,可以看到它的形状像两朵玫瑰花的花心触到一起。花心正发生着剧烈的“吃”,所以很多恒星产生了,图中蓝色的小点都是新的恒星。但是,它的花径又被甩出去了,这是星系在“吐”,形成了两个潮汐尾。即使被“吐”出来,潮汐尾上也还在进行着“吃”的过程,有很多蓝色的小点,也就是新的恒星在诞生。

并合星系NGC2623 | NASA/Chandra/HST/CFHT/Spitzer

下面这张图是斯蒂芬五重奏,是由5个星系组成的集团,其中4个正在进行四人舞。在这个过程中,它们也在不断地“吃”和“吐”。

斯蒂芬五重奏 | NASA/JWST

根据预测,我们的银河系和仙女系在未来也可能会并合。不过不用担心,那将是40亿年后的事了。即使真发生了,并合对太阳系和地球的影响也是微乎其微的。这是因为恒星和恒星的距离在星系中非常大,比如,离地球最近的恒星比邻星,距离我们约4光年。我们可以把两个星系,想象成两个方队的小朋友,每个小朋友都占据了半个操场,如果他们闭上眼朝着对方冲过去,碰到彼此的概率是非常低的,也就是说,在星系并合时,恒星直接毁灭的概率也很低。

相比于人类的时间尺度,天文学研究的尺度非常大,很多天文学家预测会发生的事,等真正发生时,人类可能都不存在了。

那为什么还要研究天文学?2500年前,战国时代孔子曾经说过一句话,可以回答这个问题。他说:“朝闻道夕死可矣”。好奇心是推动人类进步的原动力之一,即使人类的寿命有限,无法和宇宙广袤的空间、绵长的时间相提并论,但人类的好奇心和思想可以。

孔子的肉体早已不在了,但他的这句话“朝闻道夕死可矣”,在2500年后还被人类传诵,而这就是思想和好奇心的力量。

谢谢大家!

监制&策划:吴欧

作者:戴昱

编辑:小贩儿

校对&排版:尹宁流


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