第十三章太空神秘现象.ppt

第十三章第十三章 太空神秘太空神秘现象象 茫茫宇宙充茫茫宇宙充满着着诱惑与惑与挑挑战,神秘莫神秘莫测,而我而我们的地球的地球充其量只不充其量只不过是茫茫宇宙中是茫茫宇宙中一粒一粒细小的小的尘埃随着人埃随着人类求知的脚步不断求知的脚步不断迈进,宇宙正宇宙正慢慢揭开那慢慢揭开那层神秘的面神秘的面纱第一第一节 宇宙中的神秘能量宇宙中的神秘能量 最近最近,英国曼英国曼彻斯特大学伊恩斯特大学伊恩·布布劳内内领导的一个国的一个国际天文小天文小组为神秘的暗能量的存神秘的暗能量的存在提供了新的在提供了新的证据这些科学家些科学家观察到察到,来来自遥自遥远而明亮的而明亮的类星体的光被弯曲后形成了星体的光被弯曲后形成了若干个若干个类星体的星体的图像像,图像的数目和途中存像的数目和途中存在的星系所形成的引力透在的星系所形成的引力透镜数目不相符合数目不相符合,由此科学家断定由此科学家断定,途中必定存在我途中必定存在我们看不看不见的其他物的其他物质,从而从而证明了宇宙小确明了宇宙小确实存在暗存在暗能量 引力透引力透镜现象是由于来自遥象是由于来自遥远星系的光星系的光在到达天文望在到达天文望远镜之前之前,会被途中的其他物会被途中的其他物体的引力所弯曲体的引力所弯曲,和通常的透和通常的透镜折射光相似。

折射光相似引力透引力透镜现象象:科学家首次拍科学家首次拍摄到罕到罕见宇宙宇宙“海市蜃楼海市蜃楼” 这一新的引力透一新的引力透镜试验建立在和建立在和过去完去完全不同的物理全不同的物理论据上据上,所以它提供的支持暗所以它提供的支持暗能量存在的能量存在的证明是独立于其他明是独立于其他证明的 由于通由于通过引力透引力透镜形成的形成的类星体星体图像通像通常挨得太近常挨得太近,这个天文小个天文小组使用了世界上最使用了世界上最强强大的射大的射电天文望天文望远镜阵列列,得到了上千个得到了上千个类星体的无星体的无线电照片他们之所以之所以选择射射电天文望天文望远镜,是因是因为它它们能把能把细节放大放大许多多倍倍,比光学望比光学望远镜甚至哈勃天文望甚至哈勃天文望远镜看得看得都清楚射射电天文望天文望远镜 哈勃天文望哈勃天文望远镜 暗能量暗能量这个个说法直到法直到1998年才出年才出现在天在天文学文学领域里当时,两两组天文学家天文学家对遥遥远的的星系中正在爆炸的星球即超新星星系中正在爆炸的星球即超新星进行行观察察,发现超新星比他超新星比他们认为的暗淡。

的暗淡这意味着它意味着它们的距离比科学家原来的距离比科学家原来认为的更的更远了 造成造成这种情况的唯一解种情况的唯一解释应该是是,假假设宇宙的膨宇宙的膨胀在在过去的某个去的某个时间加速了天文加速了天文学家在学家在这之前一般之前一般认为,由于由于单个星系相互个星系相互作用造成了引力拖拽作用造成了引力拖拽,宇宙膨宇宙膨胀是逐是逐渐减慢减慢的但是对这个超新星的个超新星的观察察结果表明果表明,有有某种神秘的力量在某种神秘的力量在对抗引力的拖拽抗引力的拖拽,使星系使星系以前所未有的加速度相互以前所未有的加速度相互远离 其其实,有关反引力的想法并不新有关反引力的想法并不新鲜早在八十多年前早在八十多年前,爱因斯坦就已因斯坦就已经把把五种反引力效五种反引力效应以所以所谓的宇宙常数的的宇宙常数的名名义包括在他的广包括在他的广义相相对论中了当时,爱因斯坦因斯坦为了不使星球由于相互了不使星球由于相互间的吸引力而的吸引力而挤到一起到一起,设想宇宙中想宇宙中应该还存在一种排斥力存在一种排斥力,它与引力相它与引力相对抗抗,从而使宇宙保持从而使宇宙保持稳定他把这个排斥个排斥力称力称为宇宙常数。

宇宙常数 有关暗能量的探有关暗能量的探讨十分玄妙有人十分玄妙有人认为暗能量暗能量是从宇宙真空中渗透出来的有是从宇宙真空中渗透出来的有实验表明表明,真空似乎真空似乎并不是空无一物并不是空无一物,而是一些虚粒子在而是一些虚粒子在时生生时灭地冒泡地冒泡泡而另一些天体物理学家泡而另一些天体物理学家则说,暗能量只不暗能量只不过是宇是宇宙的基本特征宙的基本特征,试图解解释它它,就像解就像解释为什么地球离什么地球离太阳的距离太阳的距离刚好孕育生命一好孕育生命一样徒徒劳 科学家科学家认为,只有宇宙中确只有宇宙中确实存在的暗能量能解存在的暗能量能解释这一加速膨一加速膨胀现象正如剑桥大学著名天体物理大学著名天体物理学家安学家安东尼尼·拉森比教授所指出的拉森比教授所指出的,NASA科学家的最科学家的最新新发现和研究将改和研究将改变人人类的宇宙的宇宙观,并有可能成并有可能成为人人类宇宙学史上最重大宇宙学史上最重大发现之一之一,科学家利用科学家利用WMAP获得的得的资料有助于建立一种更准确料有助于建立一种更准确阐明宇宙起源和明宇宙起源和演化的演化的标准模型第二第二节 核核动力火箭力火箭 20世世纪50年代年代,随着和平利用原子能随着和平利用原子能的呼声日益高的呼声日益高涨,原子火箭原子火箭发动机机应运而运而生。

法国人生法国人设计了以水了以水为工作物工作物质的原子的原子能火箭能火箭,它靠核反它靠核反应堆堆产生的生的热量将水汽量将水汽化化,高速高速喷射出的水蒸气能使星射出的水蒸气能使星际飞船逐船逐渐加速火箭要加速火箭要喷出出5000吨的水才能在吨的水才能在50年内把年内把飞船送往最近的恒星船送往最近的恒星——比比邻星星(距地球距地球4.22光年光年)原子能火箭原子能火箭 一般化学火箭的一般化学火箭的结构构质量占量占总质量的量的6％％~10％％,有效有效载荷荷仅占占1％％;而原于能火箭的而原于能火箭的结构构质量占量占总质量的量的12％％~15％％,但有效但有效载荷荷可占可占总质量的量的5％％~8％以氘为燃料的核聚燃料的核聚变火箭火箭,排气速度可达排气速度可达15000千米千米/秒秒,足以在足以在几十年内把宇宙几十年内把宇宙飞船送到船送到别的恒星 聚聚变比裂比裂变放出更大的能量在一个放出更大的能量在一个核聚核聚变推推进系系统中理中理论上每千克燃料能上每千克燃料能够产生生100万万亿焦耳能量焦耳能量——比普通化学火箭比普通化学火箭的能量密度高一千万倍核聚的能量密度高一千万倍。

核聚变反反应将将产生大量高能粒子生大量高能粒子美国美国“猎户座座”核核动力火箭力火箭 用用电磁磁场约束束这些粒子些粒子,使之向指使之向指定方向定方向喷射射,飞船就可以高速前船就可以高速前进了为安全起安全起见,核核飞船至少船至少应在近地在近地轨道道组装为利用月球上丰富的氦利用月球上丰富的氦资源源,月月球也是理想的球也是理想的组装装发射地此外也可射地此外也可以在拉格朗日点以在拉格朗日点(此点此点处的物体在的物体在绕地地球运球运转的同的同时保持与月球相保持与月球相对距离不距离不变)处完成完成组装装,原材料从月球上用原材料从月球上用电磁磁推推进系系统发送第三第三节 光帆光帆 中国古代的中国古代的纸鸢无法和无法和现在的超在的超音速音速飞机同日而机同日而语,今人今人设想的想的喷射式射式推推进系系统也不能和未来也不能和未来实际的星的星际飞船相提并船相提并论相对于核于核动力火箭来力火箭来说,以下几种以下几种进入太空的方法更有可能在入太空的方法更有可能在未来的星未来的星际飞行中使用行中使用古代古代纸鸢 现代超音速代超音速飞机机 15世世纪地理大地理大发现时期期,西欧的水手西欧的水手们扬帆帆远航航,驶向向传说中的大中的大陆。

未来的星未来的星际航行恐怕航行恐怕还要借助要借助“帆帆”这种古老的工具种古老的工具,只不只不过驱动“太空帆太空帆”的不是气的不是气流而是光早在流而是光早在20世世纪20年代年代,物理学家就已物理学家就已证明明电磁波磁波对实物具有物具有压力效力效应1984年年,科学家提出科学家提出,实现长期太空期太空飞行的最佳方法是向一个大型薄帆行的最佳方法是向一个大型薄帆发射射大功率激光大功率激光这种帆被称种帆被称为“光帆光帆”它采用圆盘状状布局布局,直径达直径达3.6千米千米,帆面材料帆面材料为纯铝,无任何支撑无任何支撑结构构,其最大其最大飞行速度可达到光速的十分之一在搭行速度可达到光速的十分之一在搭载1吨的有效吨的有效载荷荷时,飞抵半人抵半人马座的座的a星星仅需需40年或更年或更少的少的时间以这个速度个速度,太空船可以在两天内从太阳太空船可以在两天内从太阳飞到冥王星到冥王星,但要是但要是飞越另一个太阳系并越另一个太阳系并对其其进行考行考察察,这速度速度显然太低了然太低了太阳光帆太阳光帆飞船船“光帆光帆”1号号 为了了进行行详细的考察的考察,可以采用可以采用“加速加速——减速减速“的的飞行方案。

行方案这时光帆直径取光帆直径取100千千米米,使用功率使用功率为7.2×l012瓦的激光器向它瓦的激光器向它发射射激光在减速激光在减速阶段段,将有一个将有一个类似减速似减速伞的的小型光帆被小型光帆被释放出来它把大部分激光向放出来它把大部分激光向飞船的前船的前进方向反射方向反射,以达到制以达到制动的目的 虽然要求然要求较高高,但但较其他形式的星其他形式的星际飞船而言船而言,光帆是在技光帆是在技术和和经济上最容易上最容易实现的方案根据估算的方案根据估算,在使用金属在使用金属铍作作为帆面帆面材料材料时,飞到半人到半人马座座a星的星的总费用用为66.3亿美元这只相当于阿波只相当于阿波罗计划投划投资的的1/4第四第四节 黑洞黑洞 黑洞是一种引力极黑洞是一种引力极强强的天体的天体,就就连光也不能光也不能逃脱当恒星的史瓦西半径小到一定程度逃脱当恒星的史瓦西半径小到一定程度时,就就连垂直表面垂直表面发射的光都无法逃逸了射的光都无法逃逸了这时恒星恒星就就变成了黑洞成了黑洞说它它“黑黑”,是指它就像宇宙中的是指它就像宇宙中的无底洞无底洞,任何物任何物质一旦掉一旦掉进去去,“似乎似乎”就再不能逃就再不能逃出。

由于黑洞中的光无法逃逸出由于黑洞中的光无法逃逸,所以我所以我们无法直无法直接接观测到黑洞然而到黑洞然而,可以通可以通过测量它量它对周周围天天体的作用和影响来体的作用和影响来间接接观测或推或推测到它的存在到它的存在黑洞引申黑洞引申义为无法无法摆脱的境遇脱的境遇2011年年12月月,天天文学家首次文学家首次观测到黑洞到黑洞“捕捉捕捉”星云的星云的过程黑洞吞噬恒星的黑洞吞噬恒星的过程程 与与别的天体相比的天体相比,黑洞十分特殊黑洞十分特殊人人们无法直接无法直接观察到它察到它,科学家也只能科学家也只能对它内部它内部结构提出各种猜想而使得黑构提出各种猜想而使得黑洞把自己洞把自己隐藏起来的的原因即是弯曲的藏起来的的原因即是弯曲的时空根据广空根据广义相相对论,时空会在引力空会在引力场作用下弯曲作用下弯曲这时候候,光光虽然仍然沿然仍然沿任意两点任意两点间的最短光程的最短光程传播播,但相但相对而而言它已弯曲在言它已弯曲在经过大密度的天体大密度的天体时,时空会弯曲空会弯曲,光也就偏离了原来的方向光也就偏离了原来的方向  这张红外波段外波段图像拍像拍摄的是我的是我们所居住所居住银河系的中心部位河系的中心部位,所有所有银河系的恒星都河系的恒星都围绕银心部位可能存在的一个超大心部位可能存在的一个超大质量黑洞公量黑洞公转。

据美国太空网据美国太空网报道道,一一项新的研究新的研究显示示,宇宙中最大宇宙中最大质量的黑洞开始快速成量的黑洞开始快速成长的的时期期可能比科学家原先的估可能比科学家原先的估计更早更早,并且并且现在仍在仍在加速成在加速成长 一个来自以色列特拉一个来自以色列特拉维夫大学夫大学的天文学家小的天文学家小组发现,宇宙中最大宇宙中最大质量黑洞的首次快速成量黑洞的首次快速成长期出期出现在宇在宇宙年宙年龄约为12亿年年时,而非之前而非之前认为的的20~40亿年天文学家年天文学家们估估计宇宇宙目前的年宙目前的年龄约为136亿年 根据理根据理论预测,黑洞周黑洞周围的光的光环,由黑由黑洞吸引和束洞吸引和束缚的光子的光子组成这个光个光环并没并没有穿透有穿透“事件穹界事件穹界”,仅仅位于位于“事件穹界事件穹界”的外的外围事件穹界事件穹界,即黑洞周即黑洞周围让物物质有有去无回的去无回的边界界,在在边界以外界以外观测不到不到边界界以内的任何事件光以内的任何事件光环的直径可能比其的直径可能比其围绕的黑洞直径大几倍的黑洞直径大几倍,利用未来的成像技利用未来的成像技术可能可以看到它可能可以看到它们。

现在天文学家最急在天文学家最急切希望的是切希望的是,利用甚利用甚长基基线干涉干涉测量法等量法等手段手段,可直接可直接测量黑洞的量黑洞的质量 黑洞并不是黑洞并不是实实在在的星球在在的星球,而是一个几乎而是一个几乎空空如也的天区黑洞又是宇宙中物空空如也的天区黑洞又是宇宙中物质密度最密度最高的地方高的地方,地球如果地球如果变成黑洞成黑洞,只有一只有一颗黄豆那么黄豆那么大原来,黑洞中的物黑洞中的物质不是平均分布在不是平均分布在这个天个天区的区的,而是集中在天区的中心而是集中在天区的中心这些物些物质具有极具有极强强的引力的引力,任何物体只能在任何物体只能在这个中心外个中心外围游弋一旦不慎越一旦不慎越过边界界,就会被就会被强强大的引力拽向中心大的引力拽向中心,最最终化化为粉末粉末,落到黑洞中心因此落到黑洞中心因此,黑洞是一个黑洞是一个名副其名副其实的太空魔王的太空魔王 黑洞内部只有三个物理量有意黑洞内部只有三个物理量有意义:质量、量、电荷、角荷、角动量黑洞本身是有量黑洞本身是有进无出的无出的,你你说的的连接不同宇宙的通道那是虫洞接不同宇宙的通道那是虫洞黑洞拉伸黑洞拉伸,撕裂并吞噬恒星撕裂并吞噬恒星 黑洞黑洞喷射物不断射物不断变亮亮黑洞吞噬中子星黑洞吞噬中子星 星系中心的超大星系中心的超大质量黑洞不再是量黑洞不再是“无色的无色的”黑洞炸黑洞炸弹构想构想图星云正接近星云正接近银河中央黑洞河中央黑洞第五第五节 白洞白洞 白洞白洞(又称白道又称白道)是广是广义相相对论预言的一种与黑洞言的一种与黑洞(又称黑道又称黑道)相反的特殊相反的特殊“假想假想”天体天体,是大引力球是大引力球对称天称天体的史瓦西解的一部分。

目前体的史瓦西解的一部分目前,白洞白洞仅仅是理是理论预言言的天体的天体,到到现在在还没有任何没有任何证据表明白洞的存在其据表明白洞的存在其性性质与黑洞完全相反同黑洞一与黑洞完全相反同黑洞一样,白洞也有一个封白洞也有一个封闭的的边界与黑洞不同的是界与黑洞不同的是,白洞内部的物白洞内部的物质(包括包括辐射射)可以可以经过边界界发射到外面去射到外面去,而而边界外的物界外的物质却不却不能落到白洞里面来因此能落到白洞里面来因此,白洞像一个超白洞像一个超级喷泉泉,不断不断向外向外喷射以重粒子射以重粒子为主要形主要形态表表现的物的物质,(能量能量)白洞学洞学说在天文学上主要用来解在天文学上主要用来解释一些高能一些高能现象白洞是否存在是否存在,尚无尚无观测证据白洞构想白洞构想图 白洞和黑洞一白洞和黑洞一样,有一个封有一个封闭的的“视界界”不过和黑洞不一和黑洞不一样,时空曲率在空曲率在这里是里是负无无穷大大,也也就是就是说,在在这里里,白洞白洞对外界的斥力达到无外界的斥力达到无穷大大,即即使是光笔直向白洞的奇点冲去使是光笔直向白洞的奇点冲去,它也会在白洞的它也会在白洞的视界上完全停止住界上完全停止住,不可能不可能进入白洞一步。

入白洞一步 理理论上上,白洞也可以根据是否旋白洞也可以根据是否旋转,是否是否带有有电荷而区分荷而区分类型型,但是理但是理论物理学家物理学家们认为,白洞白洞的无的无穷大的斥力会迫使白洞不大的斥力会迫使白洞不带有任何有任何电荷荷,因因为电荷很容易就被赶到了荷很容易就被赶到了视界外而旋界外而旋转,也被也被认为是不可能的不是不可能的不过白洞看来只可能是一种白洞看来只可能是一种想象中的想象中的产物因为如果白洞不吸收任何物体如果白洞不吸收任何物体而而仅仅是是喷射物射物质(能量能量),那么无那么无论这个白洞的个白洞的质量有多大量有多大,它的物它的物质也会很快地被也会很快地被喷射光黑洞与白洞关系黑洞与白洞关系根据上述情况根据上述情况,可以得出以下可以得出以下结论: 第一第一,黑洞是宇宙黑洞是宇宙间吸引的一种极端吸引的一种极端现象和象和形式形式,它的直接它的直接结果是果是“大坍大坍缩”,与之相反与之相反,白洞白洞则是宇宙是宇宙间排斥的一种极端排斥的一种极端现象和形式象和形式,它的直接它的直接结果是果是“大爆炸大爆炸”或或“大膨大膨胀”两者缺一不可两者缺一不可,紧密相密相联,相相辅相成相成,相互相互转化化,对立立统一。

一 第二第二,黑洞与白洞是通黑洞与白洞是通过某种某种“极极变机制机制”(虫虫眼机制等眼机制等)相互相互转化的化的,由于由于这种相互种相互转化的存在化的存在,使得量子使得量子阶梯中的所有物梯中的所有物质现象得以象得以产生、生、发展和消亡在展和消亡在这个个过程中程中,既没有一成不既没有一成不变的永的永恒事物恒事物,也没有只出也没有只出现一次就永一次就永远绝灭的的东西产生了的生了的东西会消亡西会消亡,消亡了的消亡了的东西又会西又会产生生,如如此循此循环不止不止 第三第三,黑洞与白洞的相互黑洞与白洞的相互转化是宇化是宇宙演化最根本、最重要的宙演化最根本、最重要的动力根源它它们两者的存在和两者的存在和转化化,是是“吸引和排吸引和排斥斥这一个古老的两极一个古老的两极对立立”的生的生动体体现,是万物是万物变化最深化最深层次的次的总根源 科学家科学家们最近最近证明了黑洞其明了黑洞其实有有可能向外可能向外发射能量而根据射能量而根据现代物理代物理理理论,能量和能量和质量是可以互相量是可以互相转化的这就从理就从理论上上预言了言了“黑洞、白洞一体黑洞、白洞一体化化”的可能。

的可能第六第六节 冕洞之冕洞之谜 冕洞是用冕洞是用X射射线或或远紫外紫外线拍下的日冕拍下的日冕照片上可以照片上可以观察到的在日冕中存在的大片不察到的在日冕中存在的大片不规则的暗黑区域冕洞是日冕中气体比的暗黑区域冕洞是日冕中气体比较稀稀薄的区域寿命最薄的区域寿命最长可达可达1年冕洞和开放年冕洞和开放磁磁场线的的单极极强强度有关度有关,在磁力弱在磁力弱时,冕洞主冕洞主要会出要会出现在太阳磁极附近在太阳磁极附近,而若在磁力而若在磁力强强时,冕洞冕洞则可以在任何地方出可以在任何地方出现太阳风中快速中快速移移动的物的物质已知道会延著通已知道会延著通过冕洞的开放磁冕洞的开放磁场线发散出来日日冕冕仪中中的的太太阳阳图象象 X射射线冕洞冕洞 远紫外紫外线冕洞冕洞 冕洞大体分冕洞大体分为三种三种:极区冕洞极区冕洞,位位于两极区于两极区,常年都有常年都有;孤立冕洞孤立冕洞,位于低位于低纬区区,一般面一般面积较小小;延伸冕洞延伸冕洞,向南北向南北延伸延伸,从北极区向南延伸至南从北极区向南延伸至南纬20°左左右或由南极区向北延伸至北右或由南极区向北延伸至北纬20°左左右右,且同极区冕洞相接且同极区冕洞相接,面面积较大。

在大在天空天空实验室室飞行期行期间(太阳活太阳活动下降下降期期)太阳表面覆盖太阳表面覆盖18～～19％的冕洞％的冕洞。