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天文学导论期末考试答案题库2024秋

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中国科学技术大学

暗物质与人类的起源和结局有关？作者：李楠（中国科学院国家天文台）作者简介李楠，国家天文台副研究员。研究方向为引力透镜、宇宙学、以及机器学习在天体物理中的应用。暗物质是理论上提出的可能存在于宇宙中的一种不可见的物质，关于它，有着许多未解之谜，今天就跟随我们一起浅谈暗物质吧～一、什么是暗物质暗物质是为了解释观测与理论不匹配而提出的一个理论假设。在大量的天文学观测中，看上去与现有引力理论相悖的现象中，绝大部分可以通过假设暗物质的存在得以合理地解释。目前的天文学观测和地面物理实验表明：暗物质的基本性质是只参与宇宙中的引力相互作用，而不参与（或极其有限地参与）除引力作用之外的任何其他相互作用。简单来说，暗物质是一种我们可以通过引力感受到，但是几乎无法用电磁波直接探测到的物质。现代天文学通过天体动力学、引力透镜效应、微波背景辐射等观测结果证明暗物质大量的存在于星系、星团及宇宙的大尺度结构中，其总质量远大于宇宙中全部可见天体的总质质量，目前的数据表明：宇宙中暗物质大约占全部物质总质量的85%，占宇宙总质能的26%。最早提出暗物质可能存在的是天文学家雅克布斯·卡普坦（Jacobus Kapteyn），他于1922年提出可以通过研究天体系统的动力学性质，间接推断出星体周围可能存在的不可见物质。 1933年，天体物理学家福瑞兹·兹威基（Fritz Zwicky）利用光谱红移测量了科玛星系团（Coma Cluster）中各个星系相对于星系团的运动速度，结合维里定理（Viral Theory），兹威基发现星系团中星系的速度弥散度远远高于理论预言，仅靠星系团中可见星系的质量产生的引力是无法将其束缚在星系团内的，因此星系团中应该存在大量的不可见物质，即暗物质，其质量至少是可见星系的百倍以上。辛克莱尔·史密斯（Sinclair Smith）在1936年对室女星系团（Virgo Cluster）的观测也支持这一结论。不过这一突破性的结论在当时未能引起学术界的重视。二、暗物质的观测证据随着天文观测技术的进步，越来越多暗物质存在的观测证据被天文学家发现。例如，1970年维拉·鲁宾（Vera Rubin）和肯特·福特（Kent Ford）利用高精度的光谱测量技术研究了仙女星系（Andromeda Galaxy）的恒星旋转速度和距离的关系，探测到的远离星系核区域的外围星体绕星系旋转速度和距离的关系表明：在相当大的范围内，星系外围的恒星旋转速度是恒定的，这与目前的引力理论根据可见物质所预言的星系旋转曲线无法匹配，这意味着星系中可能有大量的不可见物质，并且不仅仅分布在星系核心区。另一个著名的暗物质存在证据是子弹头星系团的观测。2004年，马克西姆·马科维奇（Maxim Markevich）和道格拉斯·克劳（Douglas Clowe）发现合并星系团的x射线中心和引力中心存在着明显的偏移，前者反映着星系团中的主要常规可见物质的并合行为，而后者则反映着星系团中全部物质的并合行为，两者的偏差表明星系团中有大量非常规可见物质的存在。三、暗物质与人类了解完暗物质的基本概念和历史后，你最可能要问：我知道，暗物质很酷，暗物质是宇宙中最多的物质，可是它和我的生活有什么关系呢？这是个非常好的问题，乍一看，暗物质也许和人们的日常生活没什么关系，但实际上，暗物质极有可能关系到人类最关心的两个问题：人类的起源和人类的结局。 ◎暗物质与人类的起源暗物质决定了宇宙中星系的起源、形成与演化，也就是说，今天银河系的诞生、成长过程都受到暗物质的影响。天体物理学家们已经用数值模拟的方法研究了在没有暗物质存在的宇宙中，自引力系统的形成将非常困难，这种情况下，也许银河系尺度的星系会非常难以形成，这就极大地降低了宜居星系的数目，从而使类太阳系系统的形成概率大大降低，进而宜居带的类地行星也许就没有机会形成了，就更不要说人类了。可以说因为暗物质的存在才会有今天的我们出现。 ◎暗物质与人类的结局暗物质可能导致人类灭绝的论调听起来也许有些危言耸听，但是著名物理学家丽莎·兰德尔（Lisa Randall）在《暗物质与恐龙》一书中详细地探讨了暗物质导致恐龙灭绝的可能性和基本原理：太阳系绕银河系中心运动时还会穿过银河系中的暗物质盘结构，这一过程产生的引力扰动会提高太阳系外围奥尔特星云中彗星的触发概率，从而在太阳系中产生更多的危险天体，因此大大地增加了危险星体撞击地球的概率。此过程会导致地球上因危险天体撞击而产生周期性的物种灭绝，恐龙的灭绝便是其中的一次。如果将来银河系中的暗物质导致彗星和地球相撞，一次不亚于恐龙灭绝的生态灾难也许真的会是我们的结局。兰德尔博士的理论是个有趣且大胆的尝试，尤其是关于『暗物质可以在银河系中形成盘状结构』的假设也是不同于主流暗物质模型的一次创新，不过科学家们依然需要用更优质的观测数据和更严谨的科学方法来证实或者证伪这个假设。暗物质到底是不是恐龙乃至人类灭绝的罪魁祸首？希望未来科学家们会告诉我们答案。四、总结暗物质是当今物理学的最重要最热点的问题之一，随着新的科学数据的到来，对它的研究将更加深入。从星系到整个宇宙学尺度，我们都有证据证明暗物质的存在，但是我们是否能找到它并且弄清楚它的本质？这将是接下来几十年里科学家们最主要的科学目标之一。希望这篇文章能让读者们简单地了解暗物质的概念和历史，以及暗物质与我们的联系，让我们一起为因研究暗物质而可能开启的物理学新时代做好准备。

答案:ACDCC

冲出磁星云霭的闪光作者：郑学琛、薛永泉（中国科学技术大学）作者简介：郑学琛，中国科学技术大学天文学系硕士毕业生，现为荷兰莱顿天文台博士研究生；薛永泉，中国科学技术大学天文学系教授。 “一钩新月天如水”，晴朗的夜空在人们的想象中，往往是寂静祥和的。然而，在天文学家眼里，黑暗的宇宙却到处埋藏着强力的定时炸弹，随时随地会猛然爆发。尤其是在人们开始从在用X射线、伽玛马射线等极高能量的电磁波段观察宇宙时，众多的爆发事件就像四处绽放的烟火一样热闹而迷人。这些爆发事件到底是什么？这个问题从上世纪60年代起就牢牢地抓住吸引了天文学家的好奇心。近日，在国际著名期刊《自然》杂志上，一项由中国科学技术大学研究人员主导的研究，就介绍了一个极有可能是由双中子星合并产生的有趣的X射线爆发事件。一、双中子星合并与磁星中子星是比太阳还要重十来倍以上的恒星死亡后留下的体积超小而密度极高的致密星体。由于宇宙中的恒星喜欢扎堆出现，两个中子星携手相伴的情况也会时有发生。相互绕转的双中子星产生的引力场快速变化，就像是在不断地搅拌原本平静的时空，向外泛起涟漪。由于不断消耗绕转的能量发出的引力波辐射不断消耗着绕转的能量随着能量的消耗，双中子星会慢慢越靠越近，最终在剧烈碰撞、释放引力波暴之后合二为一，形成一个新的质量更大的致密天体——2017年8月17日激光干涉引力波天文台（LIGO）等就首次探测到了双中子星合并引力波事件的信号。如果这个新天体的质量超过中子星的质量上限，那么天体内部物质的压力将难以抗衡星体自身的引力，使得星体直接迅速坍缩成为一个黑洞。但天文学家认为，在坍缩之前它很有可能会先形成一个更加有趣的天体——磁星。磁星，顾名思义，是一个具有超强磁场的中子星，其表面磁场比目前人类实验室能制造出来的最强磁场还强上亿倍。这样的磁星可以拥有超高的自转速度，每秒可自转几百上千周。由于磁星的快高速自转，即使它磁星的质量超过中子星质量上限，其离心力也能帮助它短期抗衡强大的引力而阻止不会进一步坍缩成黑洞。除了留下中心的磁星，合并事件还会在周边留下大量的抛出物质。磁星具有的强引力，快速吸入抛出物质，并在两极方向产生一个只持续零点几秒的超高速、准直的喷流。如果喷流方向恰好对着地球，就如同它向我们开了一炮，可以让我们在短时间内探测到大量的高能量伽玛马射线，这就是被称为短伽玛暴的高能天体物理事件。早在上个世纪90年代初，科学家就提出来了磁星的设想。之后它逐渐被学界广泛接受，并用于解释一些特殊类型的中子星。然而时至今日，科学家仍未在双中子星合并之后探测到它的“真身”。二、“乌云”中磁星的X射线爆发由于双中子星合并既能产生强烈的引力波暴，也能产生短伽玛暴，所以天文学家非常希望能够在探测到引力波辐射以后，还能在对应的方向看到一个短伽玛暴，从而进一步研究合并事件中的各种物理过程。然而，由于喷流的“开炮”的方向是随机的，它恰好对准地球的可能性其实很小，所以即使引力波探测器已经探测到不少的引力波事件，想观测到一个对应的短伽玛暴却很难。但天文学家找到了另一种可能性，即使没有短伽玛暴，我们仍然有可能看到一个强烈的爆发事件，只不过是在X射线、可见光等波段。在理论预言中，磁星有一个重要的特点：较差自转，即磁星的内部与外部的自转速度并不一致，靠近中心区域的自转速度要更快。这就会不断扭曲穿过磁星内部的磁力线，使其最终浮出磁星表面并断裂，释放出大量能量从而减缓磁星自转，而还在磁星内部的磁力线则会重新连接并开始新一轮的扭转。这种磁重联过程能向四面八方发出大量的X射线波段至可见光波段的辐射。这样，即使没有看到短伽玛暴，科学家仍然有可能看到一个强烈的爆发事件，只不过是在X射线、可见光等波段。事实上，在对不少短伽玛暴的后续观测中，人们确实看到了这样的X射线和光学余晖。既然这样的辐射和喷流不一样，是朝向四面八方发射的，那么是不是就应该很容易被观测到呢？答案也是否定的。此前，人们还没有发现过任何有类似特征的孤立的X射线爆发。这是因为双中子星合并中产生的抛出物质会形成一个围绕着新天体的包层，像是笼罩着新天体的层层乌云，挡住了来自中心的大部分辐射。看来，要想不通过短伽玛暴、而仅靠探测X射线爆发来发现双中子星合并事件，还真是困难重重啊。不过，理论和数值模拟告诉我们，在中子星合并形成的磁星吸收周边物质的时候，剧烈的吸积过程除了形成喷流以外还会产生高速的弥漫星风，而磁星周边强大的磁场会成为这些星风的向导，将它们导向两极。于是这些高速星风在磁星形成之初就会快速地吹走磁星两极附近的遮挡物质，打开一个较大的通道，后续的X射线辐射就能借此冲破障碍。当我们的视线对着这个通道时，就有可能看到预言中的没有对应短伽玛暴的孤立的X射线爆发。三、守得“云”开见星明中科大研究团队2019年4月11日发表于《自然》的该项这项研究，正是报导了首例这样的事件。钱德拉空间望远镜是目前现今世界上最先进的X射线探测器之一。在1999年到2016年间，它陆续对天空中精心选出的一小片仅有约1/4满月大小的区域拍摄了102次，总计曝光7百万秒。来自中科大的研究团队在研究该天区中天体的光变特性时，发现了在2015年3月里一个天体的X射线辐射亮度从无到有，在短时间内增亮了上千倍，并将这个爆发事件命名为CDF-S XT2（简称XT2）。而在随后对其他的数据的搜寻中，他们发现，在XT2爆发前后，世界上的伽玛马射线探测器都没有记录到有对应的伽玛暴。通过分析XT2的X射线数据，研究人员发现，它在爆发后约2000秒内的亮度基本不变，随后则快速变暗直至消失。理论上，在双中子星合并形成磁星后，磁重联过程会在一段时间内不断提取其自转能量，转化成电磁辐射，使得磁星短时间内维持一定的亮度。这样过了一段时间后，磁星因为自转能量不断减少而转动变慢，从而离心力变小而无法继续抗衡自身强大的引力，超过中子星质量上限的它因而最终坍缩成为一个黑洞，故而其亮度也就迅速变暗。XT2有着与理论预言高度一致的亮度变化，表明它极有可能源于双中子星合并后形成的磁星。其次，得益于钱德拉空间望远镜的超高分辨率，研究人员得以精确定位XT2，发现它处于一个距离地球约66亿光年的星系的外围部分，这符合双中子星合并事件以及短伽玛暴的位置分布规律。由于中子星产生于大质量恒星演化后期的超新星爆炸，而超新星爆炸可能是不对称的，因而会在某个方向上给予中子星一个强大的反冲力，使得它高速向星系外围逃逸。而在双中子星开始逃亡生涯直至最后合并的漫长过程里，它们极有可能已经从星系内部逃到外围。因此，XT2处于星系外围的事实大大增强了它源于双中子星合并的可能性。最后，根据搜索的天区面积以及钱德拉空间望远镜的探测灵敏度，研究人员得以估计出观测到类似XT2爆发事件的频率，发现其与此前根据引力波探测结果可靠估算得到的双中子星合并事件的发生频率吻合得很好，从而再次证明了XT2源于双中子星合并的合理性。四、发现意义与未来展望根据上述分析以及XT2没有对应伽玛暴的事实，研究人员相信这它就是一直被苦苦追寻的大质量毫秒磁星X射线爆发。这让天文学家兴奋不已——长久以来只存在于理论预言中的现象，如今终于出现。XT2的发现证明了双中子星合并能够产生磁星的理论正确性，同时帮助天文学家更为深入地了解了中子星的内部物质状态。而且，确认了即使没有看到伽玛暴也能看到磁星的X射线辐射后，在未来的引力波事件探测中，我们科学家将可以摆脱对伽玛暴的依赖，通过X射线观测直接获知其来源天体的物理信息。略有为遗憾的一点是，因为发现时间较晚，研究人员错过了在XT2爆发之后立刻调用其他望远镜对它进行后续观测的机会，所以我们无法得到爆发过程中更多的其他信息。但可以期待的是，在未来的X射线巡天望远镜的监测中，我们科学家将有机会看到更多的类似爆发事件。XT2作为宇宙深处磁星X射线辐射冲过层层云霭到达我们的曙光，将给未来的引力波探测、中子星研究带来新的希望。

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