现代天文学多少前沿热点问题？(共三篇)（转）

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作者：朱广菁

    “古代天文学，以天体测量为主，主要研究天体在空间的位置及其运动；至牛顿时代，牛顿创立牛顿力学，使天文学出现了一个新的分支——天体力学，这是天文学发展历史上的一个巨大飞跃；以爱因斯坦提出广义相对论为标志，天体物理学自此诞生并一跃成为天文学研究的主流……”

    “2009国际天文年”来临之际，中国天文学会理事长、中科院国家天文台副台长赵刚博士，就现代天文学前沿热点问题，应邀接受本报记者采访。


　　本世纪天文学“两朵乌云”：暗物质与暗能量


    上个世纪30年代，诺贝尔奖获得者密立根，曾致力于将位于美国加利福尼亚州南部城市帕萨迪纳的加州理工学院，建成世界一流的研究机构。他聘用的第一位从事天体物理研究的学者，是瑞士籍科学家弗里兹•兹威基。1934年，兹威基研究了星系团内星系的运动，首次提出暗物质存在的可能性。

    星系在宇宙中有一种成团倾向，彼此之间有引力联系，由其构成的体系称为星系群；若受引力束缚在一起的星系群不止几十个，而是几百个、上千个、几千个，那么就称为星系团。星系团中成百上千的星系，因被自身引力束缚，运动速度与引力必须达成平衡才不致出轨；而且引力越强，运动速度越快。然而，兹威基发现，星系团内星系远远不足以产生如此大的引力，一定还存在人类看不见的其他物质，他称之为暗物质。

    暗物质存在的直观证据，是引力透镜现象：当遥远星系发出的光途经某个星系团附近时，光线就会因星系团引力偏折，这时的星系团就好似一个透镜，朝这个方向望去就会看到巨大的光弧甚至同一个星系的几个不同镜像。

    1990年，美国航天飞机将哈勃太空望远镜送上太空。根据哈勃望远镜获取的观测资料，人们计算出宇宙年龄大约为120亿年～140亿年；然而天文学家已知有些古老的球状星团，它们的年龄约为140亿年～160亿年左右。这便显现出一种矛盾，即宇宙年龄居然比某些球状星团年龄小。

    后来，一个意外发现震动了科学界。天文学家称为Ia型的超新星，因其爆炸时发出光的亮度是固定的，故可作为一个标准烛光。知道了标准烛光，再用望远镜观测其亮度，就可确定其距离。十几年前，由利斯等人和帕尔莫特等人组成的两个独立天文研究小组几乎同时宣布：利用Ia型超新星作标准烛光，他们发现宇宙正在加速膨胀。此前，几乎所有人都认为宇宙膨胀一定是减速的，因为万有引力对膨胀只起减速作用。

    宇宙加速膨胀这一发现表明：宇宙年龄比人们原来想象的要长，而且其中要么存在斥力，要么存在科学家称之为暗能量的负压强。

    “了解暗物质和暗能量，是21世纪科学史的大挑战。”2008年10月12日，“隆重纪念望远镜发明400周年——科学大师演讲会”在北京人民大会堂举行，1957年诺贝尔物理学奖获得者、美国哥伦比亚大学教授李政道在演讲中提出上述观点。他指出：“宇宙总能量约5%是已知物质的能量；约25%是暗物质的能量，约70%是暗能量。但什么是暗物质、暗能量，我们不知道。”


　　本世纪一项方兴未艾探索：地外智慧生命


    火星被认为是太阳系中最有可能存在地外生命的行星。

    早在19世纪末，“火星运河”的“发现”曾热遍全球。人们推测，火星上既然有人工运河，就一定会有火星人。此后于20世纪初掀起的认识火星人的热潮，便不曾中断。

    火星具有与地球非常相近的特征：公转周期只有1．9回归年，同地球相差不大；自转周期即一天的变化同地球几乎相同：只比地球长140分钟，近2．5小时；火星划分5个带：中间的热带，温度在20摄氏度～80摄氏度左右，南北的温带以及两端的极冠。

    火星上是否真曾存在生命？

    1975年8月20日和同年9月9日，美国航空航天局先后发射两艘无人飞船海盗一号、海盗二号，在火星表面开展3项寻找生命实验即放射性同位素示踪、光合作用和呼吸作用生物学实验。3个实验均未找到生命存在证据。然而，人类仍然怀有两种希望：如果火星现在没有生命，是否在很久以前曾有生命存在；现在火星上或许存在一些低级生命，只是对人类精心设计的实验没有反应。

    太阳系中大行星即木星、土星及天王星、海王星又呈现何种状态？

    从现今探索结果看，这些大行星的大气主要由液态的甲烷、氢和氨构成，其存在生命的可能性非常小。

    太阳系外，银河系其他类似太阳系的恒星-行星系统，又有多大可能有理性生命存在？

    惟有类似太阳大小的恒星－行星系统，才有可能存在生命。大质量恒星演化非常快，从生到死仅约几百万年时间，而生命很难在如此短的时间内产生；小质量恒星的光度太暗，其行星必须距它们很近，才能获取足够能量使生命过程发生。然而，绕恒星运动太近的天体将被引力场俘获，在自转制动下，它们总是以一侧相对恒星，这样便使其一侧太热而另一侧太冷。即使行星尽力保存大气，其强烈的星风亦难使两侧温度达到平衡。

    到目前为止，人类仅寻找到300余颗系外行星候选体，显然尚需在太阳系其他区域、银河系其他区域以及不同星族的恒星周围，继续寻找系外行星。只有拥有更大样本的候选体，才能从统计学视角研究行星形成机制及其在银河系演化中所起作用。

    人类即使探测到类地行星，与寻找到地外生命的目标仍相距甚远。为此，天文学家研究的下一个目标将是某些系外行星候选体大气成分，以寻找系外生命存在的迹象。


　　本世纪重大天体物理问题：星系形成与演化


    宇宙从何而来？由大量恒星组成又作为宇宙基本单元的星系是如何形成和演化的？赵刚向记者推荐毕洪、邹振隆 、陈学雷撰写的《宇宙大爆炸》一文，回答这一问题。

    300多年前，牛顿认为：宇宙永恒存在，且空间无边无际。20世纪，一些科学家包括爱因斯坦、勒梅特、伽莫夫等，彻底颠覆了这种见解。经研究和观测证实，宇宙起源于一次“大爆炸”。

    “大爆炸”理论认为，大约137亿年前，宇宙从极端高温高密状态起源，此后随其体积膨胀和温度下降，以质子、中子等基本粒子形态存在的物质，最先结合形成氘、氚、氦、锂等较轻元素；随后进一步冷却形成恒星，在恒星内部合成碳、氧、硅、铁等重元素；再抛射到周围形成行星；最终，像地球这样条件适合的行星演化出生命，成为目前的宇宙。

    1905年，爱因斯坦提出狭义相对论；10年之后，他又提出广义相对论。相对论同量子论一起推动了20世纪物理学革命，亦为从整体上研究哈勃发现的星系宇宙，奠定了理论基础。

    20世纪20年代，天文界围绕星系是否为银河系一部分的问题，曾展开一场大讨论。就在这时，天文界新秀埃德温•哈勃来到美国威尔逊天文台。1922年～1924年期间，他分析一批造父变星亮度之后断定，这些造父变星和它们所在的星云距地球远达几十万光年，因而一定位于银河系外。1925年，他根据河外星系形状对其分类，又得出第二个重要结论：星系看起来都在远离地球而去，且距离越远，远离速度越高。哈勃于1929年发表的这个初步结论后来被更多观测所证实，成为人们公认的“哈勃定律”。

    “哈勃定律”的重要意义在于，它表明宇宙并非如天文界以前认为的那样是静止的；它显示出宇宙中的星系就像一个膨胀气球上的斑点，随膨胀而退行已达100亿年～200亿年，从而为此前弗里德曼和勒梅特的膨胀宇宙模型提供了观测依据。

    1946年，一位移居美国的苏联科学家探索宇宙中基本元素如何形成问题。他坚信，高热爆炸产生的辐射，即使是在100多亿年后的今天，亦不会完全消失。

    这一预言被后来的观测研究证实：微波背景辐射即是大爆炸的“余烬”；随着宇宙不断膨胀，其背景辐射温度亦逐渐降低，迄今相当于绝对温度２．７度即零下２７０．４６摄氏度黑体发出的微波辐射。所谓黑体，是指能全部吸收外来电磁辐射而毫无反射和透射的理想物体。黑体发出的辐射在不同波长上的分布，仅与黑体温度有关。

    1989年的一个早晨，美国航空航天局将COBE卫星送上太空。COBE最初9分钟的观测结果就表明，宇宙微波背景辐射具有完美的黑体辐射谱。宇宙大爆炸理论进一步得到证实。

    两名美国学者约翰•马瑟和乔治•斯穆特，根据ＣＯＢＥ卫星测量结果进行分析计算后发现，宇宙微波背景辐射与绝对温度２．７度黑体辐射非常吻合，此外微波背景辐射在不同方向上温度有着极其微小的差异，亦即是说存在所谓的各向异性。

    2006年12月3日，瑞典皇家科学院宣布，将该年度诺贝尔物理学奖授予美国科学家约翰•马瑟和乔治•斯穆特，以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性。

    诺贝尔奖评审委员会发布的公报说，马瑟和斯穆特的成果有助于研究早期宇宙，并能帮助人们更多地了解星系和恒星的起源。 （大众科技报）

本贴的三篇文章均为《人民网》：《“2009国际天文年”独家访谈》的内容。
这两楼为另两篇：

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始自伽利略的天文丰碑

记者 朱广菁


　　400年前，伽利略第一次将望远镜指向天空。这一开创性的伟大壮举，将天文学研究从视觉观测发展到利用工具观测，不仅扩展了观测范围，亦使天文观测的精度大为提高，从而开启了天文学观测的新时代。400年来，从光学望远镜到射电望远镜、空间望远镜，这些科学仪器的发展使人类的视野从光行走一小时距离的太阳系，扩展到几十万光年的银河系，直至百亿光年尺度的宇宙深空。

　　伽利略第一次将望远镜指向天空意味着什么？此后随望远镜技术的发展，人类具有里程碑意义的天文发现又有哪些？“2009国际天文年”即将来临之际，中科院院士、中科院紫金山天文台研究员陆埮，应邀接受本报记者电话采访和书面采访。

　　1609年秋，意大利科学家伽利略，将荷兰人利帕什发明的放大率仅两三倍的放大镜筒改造成放大率为30倍的望远镜，第一次将其对准天空，人类不曾见过的天象奇观即刻呈现眼前：银河系由无数星体组成，月球表面并不平整，木星周围环绕4颗卫星，太阳有黑子，金星有盈亏……

　　人类“走”出太阳系，将视野投向银河系的恒星世界。

　　恒星世界是天文学研究最为系统的一个领域，这当然包括太阳--它是距人类最近的一颗恒星。恒星能源研究获得的成就，是第一个获得诺贝尔物理学奖的天文项目。

　　1938年，美国物理学家贝特提出核反应理论，其中包括恒星能量来源问题。他认为太阳中心温度极高，太阳核心的氢核聚变生成氦核，其释放的大量能量成为太阳光和热的源泉；“质子－质子链”和“碳氮循环”中的一系列核反应，足以提供恒星的辐射能量。

　　通过望远镜，再配以光谱仪，就可以测量天体上的元素，了解恒星的一些成分。这个研究把恒星演化与元素起源联系了起来。20世纪50年代，博比奇夫妇、W.A.福勒和霍伊尔提出了恒星元素起源的学说，使恒星演化得到了很大的发展。现在已经知道，恒星演化最终有三个归宿，即：白矮星、中子星和黑洞。苏布拉马尼扬•钱德拉塞卡还给出了白矮星的质量上限。由此，福勒和钱德拉塞卡荣获1983年诺贝尔物理学奖。

　　20世纪20年代，天文学界发生的一场大争论使人类“走”出银河系，将视野投向广袤的星系世界：一些旋涡星云，究竟是银河系内由气体组成的星云还是银河系外与银河系同级由恒星组成的星系？美国科学家爱德温•哈勃于1924年使用美国威尔逊山天文台2.54米望远镜观测的结果证明：这些旋涡星云，实际上是银河系外另一些“银河系”，称河外星系或简称星系，当然亦有一些其他形状的星系，如椭圆星系等。从此，人类观测的星系达千亿个以上。

　　1929年，哈勃用同一架望远镜观测更远一些的星系，发现它们的谱线波长长于该谱线的标准波长，这种谱线波长的相对增长量被称为红移，与距离成正比。这个现象说明：观测到的波长长于发出时的波长，正是宇宙膨胀的表现，是宇宙学最重要的特征。这一发现在天文学上具有头等重要的意义。

　　1946年～1948年，美籍俄裔科学家乔治•伽莫夫，从宇宙膨胀得到启发提出大爆炸宇宙学。根据这个学说，人们可明确地算出，宇宙在诞生后仅3分钟时即经历了一个氦合成时代，产生了4种产物：氘、氦－3、氦－4、锂，它们成为今天用以证明宇宙最初3分钟的“考古文物”；而在宇宙诞生38万年时，又经历了另一个重要过程即质子与电子复合成氢原子的过程，亦留下一件“考古文物”，那就是微波背景辐射。这些“考古文物”均被今天的观测所精确证实。

　　传统的天文学是看天并解释星光带来的信息，然而太空天体并非只发出可见光，除此还有其他波长的辐射，其中天体的无线电波即射电波，可到达地表，成为除可见光以外的第二个地面观测窗口。20世纪40年代第二次世界大战结束之后，射电天文学迅速发展起来并取得一系列重要发现：星际分子、类星体、脉冲星、微波背景辐射等，都是研究可见光之外的辐射而获得的天文学成就，号称射电天文的四大发现。第一个发现射电波的是美国一位青年工程师央斯基。现在，射电强度的单位就是以央斯基的名字命名的。

　　值得注意的是，这射电四大发现之一的脉冲星就是上面说到的中子星的一种表现形式。脉冲星的观测不仅大大加深了对中子星的了解，而且它还提供了一个极为精确的定时信号，可用来研究引力波等重大基础物理问题，还有导航等高新技术应用价值。科学家研究脉冲星已经两度获得诺贝尔物理学奖（A. Hewish，1974；R.A. Hulse, J.H. Taylor, 1993）。而射电四大发现的另一个，即微波背景辐射，是确认大爆炸宇宙学的最强的证据，研究者因它也曾两度获得诺贝尔物理学奖（A.A. Penzias, R.W. Wilson, 1978; J. Mather, G. Smoot, 2006）。

　　脉冲星首先是由安东尼•休伊什的女学生乔瑟琳•贝尔发现的，她发现了一个非常稳定而又奇怪的脉冲信号，经与导师休伊什多次讨论，认为它是由一个新的天体发出的。在排除了一切其他可能性之后，剑桥的天文学家们最终确定这是一种奇特的天体，并称之为“脉冲星”，公之于世。后来，胡尔斯和泰勒发现了一个双中子星状态的脉冲星，并对其坚持了近20年的精确观测，给出了暗示引力波存在的证据。

　　微波背景辐射首先是由阿农•彭齐亚斯和罗伯特•威尔逊在1964年~1965年偶然发现的。他们原是为了降低天线的噪声，改善其性能，却无意中发现了微波背景辐射。由于天线灵敏度不高，他们测出微波背景辐射各个方向上的温度是一样的。但是，要完全解释今天观测到的宇宙恒星、星系的分布结构，各个方向上的温度应该有约十万分之一的差异。后来，约翰•马瑟和乔治•斯穆特用COBE卫星上的仪器，确实观测到了这十万分之一的温度差异，并由此而获得了诺贝尔物理学奖。遗憾的是，提出大爆炸宇宙学并预言微波背景辐射的伽莫夫，因为早逝而未能获奖。

　　现代天文学的视野已经远远超出了可见光和射电等地面观测设备所及的范围。由于空间技术的发展，人们不仅把地面上的光学望远镜等送入太空，如哈勃望远镜，大大改进了观测能力，而且，还把X射线、伽马射线等的观测设备送入太空，发展成了全波段天文学。正因如此，今天的天文学有了突飞猛进的发展。

　　10年前，由利斯等人组成的和帕尔莫特等人组成的两个小组，利用Ia型超新星作标准烛光，发现了宇宙正在加速膨胀。此前，几乎所有人都认为宇宙膨胀一定是减速的，因为万有引力对膨胀只起减速作用。宇宙加速膨胀这一发现表明，要么存在斥力，要么存在暗能量即负压强的物质。这无论对天文学或者物理学，都将引发重大变革。

　　这些里程碑式的重大成就，造就了今天的精确宇宙学时代，不仅协调给出了宇宙学主要参数的精确值，而且明确给出了宇宙中3种物质成分的定量组成：可见物质（通常物质）占4％、暗物质占22％、暗能量占74％。

　　人们突然发现，人类已经认识的所有物质，竟然只占4％，宇宙中还有96％的物质人类还一无所知！未知的海洋还在我们面前！

　　背景新闻

　　“2009国际天文年”，由国际天文学联合会和联合国教科文组织共同发起， 主题是“探索我们的宇宙”。

　　2003年7月，在澳大利亚悉尼举行的国际天文学联合会会员大会上，与会代表以投票方式一致通过向联合国申请将2009年定为国际天文年的决议；2005年10月，联合国教科文组织同意并支持这份提案；2007年12月20日，联合国宣布：2009年为国际天文年。

　　来源：《大众科技报》

（责任编辑：赵竹青）

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开普勒定律：近代天文学基石


     约翰尼斯•开普勒是最伟大的科学家之一， 或许只有同时期的伽利略可与之媲美，而后只有牛顿超越了他。 他发现的行星运动三定律，使得哥白尼的日心说不再是“数学天文学”意义上的假设，而成为与实体对应的“物理天文学”假说，从而真正确立了日心说。

    开普勒行星运动三定律是怎样诞生的，对后世的影响与启示又是什么？中国科学院自然科学史研究所研究员、中国古天文联合研究中心主任孙小淳博士，近日应本报记者之邀发表见解。本月中旬，孙小淳博士将赴法国巴黎参加2009国际天文年专题论坛并发表演讲。

    1600年，年轻的德国天文学家开普勒来到捷克西部山城布拉格，成为第谷•布拉赫的助手。

    第谷将毕生观测数据交予开普勒，希望他继续编制世界上最精确的行星运行表。第二年第谷与世长辞。具有深厚数学功底的开普勒经多年研究后发现，依据哥白尼理论，这些浩繁的数据可归纳为描述行星运动的3条简单明晰的定律：

    1．行星沿椭圆轨道绕太阳运动，太阳位于椭圆的一个焦点上（每个椭圆都有两个焦点）；2．连接太阳和行星的线段，在相等的时间内扫过相等的面积；3．行星绕太阳运动，椭圆轨道平均半径的立方与周期的平方成正比。

    这3条定律对太阳系中所有的行星都适用，当然包括地球；根据这3条定律，可通过数学计算，预报行星在天空中的位置，而且预报与观测结果十分相符。开普勒的发现，确立了哥白尼学说在科学史上的地位。

    最初，哥白尼的日心说认为：行星是在做完美的圆周运动，行星轨道中心并非太阳本身而是太阳附近一个抽象的点。开普勒彻底抛弃了传统的圆形轨道假定，认为行星是绕太阳作椭圆运动，并且太阳本身就位于一个焦点。

    早在大学学习时，开普勒即对托勒密与哥白尼体系进行过深入对比研究。1596年，他发表《宇宙的神秘》一书，试图用5个正多面体模型解释：为何只有包括地球在内的6颗行星，为何其轨道恰恰是这样的比例和尺度。后来，他在布拉格倾心于火星运动特征与规律探索，并称此为“火星之战”。他认为火星距地球较近，轨道偏心率较大，其运动最捉摸不定，而这是研究行星运动问题的难点。

    起初，开普勒仍按传统观念，以圆形求证火星轨道。然而，最大误差为8角分的计算无法与第谷观测数据相合；后来他改用椭圆计算火星轨道，于此进行了大量冗长的计算——每改变一个假定，就要计算40多组数据。在计算机尚未诞生的时代，其困难可想而知。当开普勒发现第一定律即椭圆轨道定律时，他兴奋无比，在图解上配以胜利女神图案。椭圆轨道虽然不如圆形完美，可在这之前他已发现了第二定律即等面积定律，这符合简单完美的原理，令开普勒非常满意。

    1609年，开普勒出版《新天文学》一书，发表了上述两个定律。不同于一般学术著作，此书详尽地记录了他在“火星之战”中提出的假设，及其经历错误、失败、挫折直至最后胜利的过程。

    此后经过长期繁复的计算以及无数次失败，开普勒最终发现了第三定律即周期定律，他于1619年出版《宇宙谐和论》一书发表了该定律。

    自此，开普勒证明了他在青年时代就认定的大自然是按简单完美的数学之美创造世界的信念，而且这些定律是建立在第谷精密的观测数据之上；后来牛顿用万有引力定律加以推导，使开普勒定律不再是数学上的猜想而是伟大的科学发现。可以这样说，是伽利略将行星运动三定律从天上“拉”到地上构筑地上的力学，而牛顿又将伽利略地上的力学运用到天上，用一个普适的力学描述天体运动，并最终证明了开普勒定律。伽利略的新物理学、开普勒的天体数学谐和论和物理天文学，加之牛顿的物理学数学原理，构成了近代科学最美丽的乐章，奠定了经典力学基础。

    后来，开普勒式科学研究方法成为近代科学主要探索方法之一。18世纪70年代，德国的提丢斯和波得提出提丢斯-波得定则，即行星到太阳的距离近似满足一个数列。1781年赫歇耳发现天王星差不多恰好处在该定则所预言的位置；按照定则，在火星和木星之间应有一颗行星，1801年，意大利天文学家皮亚齐果然在这个距离上发现了小行星谷神星。

    如今已不称作“行星”的原第九颗行星冥王星，当初发现时曾证明牛顿天体力学的神奇。1846年海王星被发现后，人们发现其轨道受到较明显摄动，应当是由另一颗行星引力影响所至。用牛顿力学可推算其所处位置。1930年，美国的汤博终于在预测的天区观测到冥王星。应当说，这是天体力学的重大胜利。

    开普勒的科学思维方法，不同于当时逐步居主导地位的机械论和归纳法。他的灵感来自哲学的信仰，他的方法是凭直觉假定模型，尔后再用观测数据不断加以验证。对于这种方法，人们今天可能会斥之为数字神秘主义，然而科学发现本无定则，方法和途径原本就很多。真正伟大的发现必然来自跳跃式想象。开普勒就具有无与伦比的精巧推理和数学洞察力；此外还由于他坚定的信念、永不言败的精神和严密谨慎的工作。当开普勒立志要发现一个普遍法则后，他从来没有迷失方向，他的想象力无约束地沉浸在各种假说的创造之中，然后他用最严密的数据加以检验，亦从不放过一点差错，直至发现这些优美而深奥的定律。

    回顾这段科学史，对启发今人科学思维与科学方法仍具重要意义。科学发现往往系由煽动两翼导致，一翼是直观的思维、跳跃的想象和大胆的假设，而另一翼则是经验的归纳、严密的推论和严谨的验证。回顾伟大科学家走过的道路，有益于人类面向未来寻找达到顶峰的途径。（大众科技报）

这个是好东西，都是知识！！！

学习了，谢谢分享！

感谢分享，学习了

俺对这段话很感兴趣：
        “    1990年，美国航天飞机将哈勃太空望远镜送上太空。根据哈勃望远镜获取的观测资料，人们计算出宇宙年龄大约为120亿年～140亿年；然而天文学家已知有些古老的球状星团，它们的年龄约为140亿年～160亿年左右。这便显现出一种矛盾，即宇宙年龄居然比某些球状星团年龄小。”。。。

这句话是正确的么？这球状星团的年龄是真实的么？

科学只了解分析可以感触到的东西，4%已经很不容易了。如果人们掌握了剩下的96%的话，那就进入后人类时代了。人类想升华到金字塔的顶端，路程还非常遥远。

谢谢 分享 学习了  呵呵  

西方国家是现代人类文明的火车头。中华民族什么时候才能再显辉煌？

宇宙是永恒的，时空是无限的！真正认识宇宙还要炎黄子孙。

学习了，谢谢分享。