大爆炸-宇宙通史-第5章

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光谱

　　　　艾萨克·牛顿爵士首次将一束阳光穿过一只玻璃棱镜，证明了阳光是由从红色（长波长）到紫色（短波长）的各种波长的光线的混合。他把阳光通过小孔和棱镜，射出后形成一条彩色光带，这是首个有意制成的光谱。牛顿并未做进一步的实验，可能因为那时棱镜的玻璃质量欠佳，无疑更为可能的是还有其他的事情正等待他去考虑。下一个真正的进展来自英国科学家W。H。渥拉斯顿。1801年，渥拉斯顿在屏上用一道狭缝代替了小孔，得到了里面横跨着许多暗线的带状太阳光谱。渥拉斯顿认为这些线仅是各种颜色之间的分界，从而与一项重大发现失之交臂。十多年后，德国光学家约瑟夫·夫琅禾费做到了这点。
　　　　像渥拉斯顿一样，夫琅禾费获得了太阳光谱。他把暗线描画下来，发现它们的位置和强度是不变的。例如在光谱黄色的部分有两条非常明显的暗线。这些线条是如何形成的？1858年古斯塔夫·基尔霍夫和罗伯特·本生给出了答案，同时奠定了现代光谱学的基础。
　　　　就像望远镜收集光线一样，光谱仪把光分解成彩虹样的光谱。观察发光的固体或者液体的光谱，你可以看到彩虹似的连续谱带；而低压气体的光谱却大不一样，与一条彩带不同，只能看到分立的亮线，即发射光谱。基尔霍夫和本生发现，每条谱线都是某种特定元素或者元素组合的标志，而且不会重复。例如钠会产生2条明亮的黄线以及其他亮线。有些元素的光谱比较复杂，比如铁有数千条谱线。而他们伟大的洞察力在于，发现太阳光谱中的暗线和实验室里发光气体光谱中的亮线是一一对应的。现在知道每条谱线都产生于气体原子外层电子某个特定的状态跃迁。如果气体很热，电子的能级降低时就会放出能量，我们就能看到发射线；如果气体较冷并且背景光是像阳光那样的连续谱的话，我们就会看到一条暗线，因为电子在相同的频率上吸收了能量，并跃迁到上面的能级。在太阳光谱黄色部分里的那一对特殊的暗线就是相对较冷的钠蒸汽存在的明确迹象。通过对这些夫琅禾费线的研究，可以得到被称为“反变层”的太阳内层大气中所有气态元素的丰度。
　　　　被称作夫琅禾费线的这些暗线还可以提供运动的信息，继而间接地告诉我们天体的距离。注意一下救护车鸣笛的声音。与静止时相比，当汽车朝我们开来时，每秒钟内有更多数量的声波进入耳朵，其效果是波长变短了，所以声调听上去越来越高；而当汽车经过后驶离我们时，每秒钟进入耳朵的声波数减少，波长增大，所以音调变低。奥地利科学家多普勒首先对这种现象做出了解释，后来这种现象被称为“多普勒效应”。对光来说也存在同样的现象。对于一个正在靠近的源，波长的缩短令光线变蓝；对于正在退行的源，光线变红。这种颜色变化极其微弱，难于察觉。但是会在夫琅禾费线中有所反映。如果所有的谱线都向红端，即长波长端移动，那么光源就正在远离我们。红移越大，退行速度就越大。
　　　　现在回到太阳光谱。太阳的明亮表面，即光球，产生连续光谱。其上的是一层压力低得多的大气（色球层），所以预计应该产生发射光谱。事情也确实如此，然而在一个明亮的彩虹背景的映衬下，这些谱线被“反转”了，看上去不是亮的，而是暗的。但是它们的位置和强度不受影响。日光光谱黄色部分的两条暗线对应着钠的发射线，所以我们断定太阳上存在钠。

首批恒星的命运

　　　　随着最早的恒星出现在宇宙中，它们的光芒终结了黑暗时代。这些恒星质量巨大，每个可能相当于150个太阳。伴随着巨大体积而来的不断增加的重力把它们的核心加热到非常高的温度。为恒星提供能量的核反应继而加速进行，所以物质被迅速地消耗掉。最早的恒星有可能在100万年里就把自己的燃料用光。
　　　　在首批恒星诞生之前，宇宙是一片原子的海洋，主要是氢原子。巨大的恒星开始发光后，其辐射四处传播，将电子踢出原子，使之电离。逐渐地，每个新恒星的周围都围绕着一个电离气体的气泡。恒星能量越大，产生的气泡就越大。恒星的能量只能影响有限范围内的气体，但这些恒星的体积和能量是如此巨大，它们造成的电离气泡可能有数万光年大小。
　　　　接下来会发生什么？围绕着两个不同恒星的气泡会偶尔相遇，一旦如此，里面的所有物质都会处在两颗恒星共同的辐照之下，被两倍的能量所激励。气泡扩展得更为迅速和庞大。这意味着有很大的可能这个扩大的气泡又和另一个邻居相接，于是整个过程进一步加速。经过相对短暂的时间，在原来充满中性氢的宇宙中，99％以上的物质都被电离了！

黑洞，一个单向的旅程

　　　　这种最初的电离相当不合逻辑地被称为“再电离时期”，它的产生还有另一个可能的原因。包括我们星系在内的几乎每一个星系，其中心都有一个大质量黑洞。黑洞是大质量恒星坍缩的产物，它的引力是如此之强，即便光也无法逃离出来：它的逃逸速度太大了。逃逸速度的概念一目了然，就是一个物体要脱离某个质量更大的物体的重力场时，所必须具备的速度。最终，一个坍缩恒星的逃逸速度会达到每秒300。000千米，即光速。光是宇宙中最快的，而当光都无法再从那里传出，那么在这个古老恒星的四周就会形成一个禁区，没有任何东西能从那里逃逸。当然我们无法直接看到黑洞，因为它根本不发出任何辐射。但我们可以确定它的位置，因为能够探测它对其他天体的引力效应，例如当黑洞是双星系统的一个成员时。
　　　　结果是黑洞与其周围被割裂开来。因为任何辐射都无法逃出，所以我们没有办法探索其内部，而只能猜测里面的情况。如果掉落到黑洞里自然是有去无回，所以我们强烈地建议不要这样做。科学家们创造了一个新词叫“抻面条”来形容这个过程，相信任何人想到这点就都不会贸然前往了。
　　　　黑洞通常是由大于太阳质量8倍的恒星坍缩形成的，而在星系中心，等于数百万个太阳质量的巨大黑洞可能另有来历。这些庞大的黑洞可能是在宇宙非常早期的阶段形成的。如果这样，那么第一缕光线可能还不是由恒星发出的，而是物质掉落进黑洞时被加热的结果，这也足以造成普遍的电离。如果是这种情况，那么这些黑洞依然存在着，在目前仍然隐藏在星系的中心。现在还不清楚，这两种可能的再电离机制中到底是谁在起作用。我们必须对这个时期有更多的了解，才有可能平息这场争论。

超新星

　　　　无论哪种理论正确，这种最早的庞大怪异的恒星都存在过，而且在再电离时期，它们对周围的影响也未结束。我们已经看到它们的寿命短暂，而其灭亡的过程却很激烈。不像正在等待我们太阳的相对平静的未来，这些巨星的终点是灾难性的爆炸。
　　　　一颗恒星的外层是由中心发生的核反应所产生的能量来支撑的。当这一过程的燃料耗尽时，外层就会坍塌，增加了内部核心的压力和温度。这种变化会使得以前一系列反应所生成的氦核互相碰撞、反应并结合成更重的元素。同时，内核外围的氢还在继续燃烧，其结果就像一层层的洋葱一样，重元素不断地在中心形成。最后，铁的产生中止了这个循环。铁原子核是最为稳定的，当它们相互碰撞时会损失能量而不是释放能量。一旦一颗巨型恒星生成了铁核，就没有什么能够阻止外层向内的坍缩。很快一个致密的核心形成了，冲击波激荡在星体内，将其余的物质向外抛出，一个光和热的巨大爆炸发生了，这就是我们看到的超新星。
　　　　超新星的爆发已经相当猛烈，更厉害的是特超新星：无比巨大的恒星由于同样的原因发生的爆炸。这也还不是最极端的情况。我们所知的最具灾难性的事件叫做伽马射线暴。

伽马射线暴

　　　　伽马射线是电磁辐射中能量最高的形式，它的波长甚至比X光还要短，在0。01纳米以下（1纳米是10…9　米）。尽管在全天有一个几乎是恒定的均匀伽马射线背景，但在其中确实发现了一些分立的源。这些持续几分钟的伽马射线的突然爆发极有威力，它能够穿过可视宇宙被探测到。伽马射线最初的爆发后，在其他频谱段会出现一个“余晖”。找到这支正在暗淡下去的“冒烟”的枪，对于天文学家们确定我们离最近的爆发的距离非常关键。我们现在知道这些伽马射线暴是十分遥远的。一个单独的爆发所发出的能量超乎想象，太阳在整个生命中发出的能量尚不及伽马射线暴在几分钟内释放的能量多。
　　　　尽管不同爆发的原因似乎不同，但许多伽马射线暴产生于超大质量恒星死亡之时。记住一旦这些恒星中用于核反应的燃料枯竭，从中心发出的辐射就消失了。重力最终赢得了战斗。恒星的外层向内塌陷，中心区域彻底坍缩形成黑洞，同时外层被反弹回来并以极高的速度被抛出。释放的能量是如此巨大，在恒星的一生中所合成的原子核又重被打碎，一切几乎又变回了氢。但是，这种巨大爆炸中的能量又会引发进一步的核反应，将氢原子聚变成更重的元素，其中特别包括那些比铁重的元素。
　　　　爆发是否较弱，从而意味着距离较近；或者是非常强劲，即十分遥远。现在我们相信这些爆发是从离我们10亿光年的源头发出的，而且不可思议地强大，可能是自大爆炸以来最大的爆炸！
　　　　如果这个爆炸的恒星像第一代恒星那样大，那么向外释放的能量就足以产生一次伽马射线暴。在我们邻近的宇宙中，最大的恒星只有太阳的20～30倍，我们看到它们以相对温和的超新星方式灭亡。但是一颗超新星的光芒已足以盖过它所在的整个星系，所以一颗特超新星可以穿过整个可视宇宙被看到。
　　　　伴随这激烈的灭亡，爆炸产生的冲击波以接近光速横扫过去，相似的过程可以在哈勃太空望远镜拍摄的附近超新星的照片上看到。濒死的第一代恒星产生的冲击波除了加热周围的气体外，还使得周围的气体云随之收缩，触发了下一代恒星的形成。这些新恒星在形成过程中吸收了第一代恒星产生的元素，这些元素在更早的时期还不存在。这些原子，尤其是碳和氧，能有效地把收缩云气中的能量辐射出去，这促使气体团冷却碎裂，形成更小的团块，进而形成较小的恒星。结果是，这些第二代的恒星与我们现在看到的恒星非常相似。它们中最小的那些，也就是寿命最长的，可能今天还在闪烁，并且可以在银河系里找到。
　　　　这些恒星的确切质量对于其命运有着决定性的影响。例如，300个太阳质量以上的恒星会直接坍缩成大质量黑洞，既没有物质被抛出也没有冲击波扩散出来。而在160个太阳质量上下的恒星则会形成成对不稳的超新星。这种爆炸正好产生大量的正电子，即电子的反粒子。当正反粒子相遇时，它们会在湮灭的同时产生能量。这些超新星中的这种能量足以防止核心的坍缩，这样黑洞和中子星都不会生成，而所有的物质都被抛出，进入第二代恒星的形成过程。我们相信在宇宙早期有大量的这种尺寸的恒星形成，并按照这种机制进行演化。

相对论——观测者的指南

　　　　黑洞的物理学通常是用广义相对论的语言来描写的，所以值得花点时间做些了解。根据爱因斯坦的理论，两个拥有各自独立的参考系的观测者，当相对加速（或减速）时，它们的时标无法保持一致。换句话说，我觉得经过了10秒钟，而如果你正在加速离开我，那么会感到只过去了6秒钟。
　　　　人们首先会想到“哪个人是正确的”，然后去检查时钟是不是被动了手脚。然而相对论明白无误地告诉您，两者都是对的，这里面没有人施展诡计。不同观测者的时间确实在以不同的速度流逝。不过一些常识性的原则被保留下来。例如两人观察到的事件发生的顺序是一致的。故而尽管可能其中一人看到A在B之前一分钟发生，而另一人看到A和B同时发生，任何人不可能看到B先于A发生。所以因果关系保持不变。但许多其他我们认为是理所当然的常识都不再成立了。
　　　　为什么在日常生活中从未经历过这种类似悖论的事情？为什么我们从未见过时钟在以不同的速率走动？答案是，我们很幸运没有生活在黑洞附近。在没有极端的加速度，或接近光速的高速，或非常巨大的质量聚集在一起的条件下，这些改变微乎其微，牛顿的运动定律可以很好地得到符合。爱因斯坦并没有去证明牛顿错了，而是扩展了牛顿的思想，使之在更为极端的情况下依旧准确。
　　　　黑洞除了对时间的流逝有如此作用外，相对论还告诉我们巨大的质量是如何影响周围的空间的。相对论难于理解的原因之一是其数学框架是四维形式的：三个我们所熟悉的空间维度加上一个时间维度，空间和时间不再独立存在。为相对论提供了大部分数学架构的闵可夫斯基曾这样说道：单独的空间和单独的时间消失得无影无踪，而这两者的复合体开始大放异彩。
　　　　如何去想象一个四维的球体？我们都不能。但可以通过只考虑两个维度来对它的特性有所认识。把时空想象成一条四角拉紧的平展的床单。现在在中间放上一只圆球或其他重物，床单就会变形。就像理论告诉我们质量使得时空扭曲一样。穿越这个畸变时空的光线，其路径也会被扭曲。在一个大质量黑洞附近，这种效应会强大到使一个观测者在某个合适角度能同时看到周围星盘的正面和反面。

虫洞，现实还是科幻小说

　　　　对黑洞里面的情形，我们只能猜测。难道这个倒霉的恒星真把自己挤压成不存在的东西了吗？有人提出这样一种想法，就是黑洞使得时空畸变到出现一条连接宇宙间不同地点和时间的，甚至连接不同宇宙间的通道。这种叫做虫洞的观点目前还处在科幻小说的范畴，它为里面的人物提供了一种有用的武器使之可以摆脱现代物理学的束缚。但是必须提到，在对黑洞这种怪异物体的严肃的科学研究之中，虫洞的观念也包含在研究内容里。
　　　　目前的状况也许可以这样说：任何经过检验的理论都没有排斥虫洞的观点，而同时也没有任何倾向于这种观点的证据。无论如何，在黑洞内部，所有的普通科学规律似乎都已失灵，我们深信不疑的那些常识也不再管用。

第三章　　演化中的宇宙　　大爆炸后7亿～90亿年

章序

　　　　在前两章的讲述之后，我们到达了宇宙演化史上出现能够实际看到的分立天体的时间点。甚至在最早的恒星出现之前，物质收缩形成星系的过程就已经开始。哈勃太空望远镜的深空图像揭示出大爆炸后7亿年时的星系景象它们看上去与在我们附近的天体不同。许多都较小，而且有各式各样奇怪而美妙的形状，有些里面还有大质量黑洞。占主导地位的是神秘的类星体，现在知道这种能量源是非常活跃的星系核，其光度等效于几千个银河系。因为它们如此明亮，所以可以从很远的地方看到，也就是可以追溯到宇宙相当年轻的那些日子。

超大质量黑洞

　　　　在这些星系的中心，甚至在很早的阶段就存在着数百万太阳质量的超大质量黑洞。就像我们前面提到过的，它们可能直接由坍缩的气体形成，也可能是大质量恒星的残余又吸附了大量的额外物质