天文學世界

2021-01-17 中國科學院紫金山天文臺

在極度乾燥的沙漠中，在冰雪覆蓋的山頂上，在寂靜清澈的湖泊旁，當你抬頭仰望夜空時，很難不被繁星所勾勒的美景震撼。閃爍的星星仿佛在訴說著一個個獨一無二的故事，讓人浮想聯翩。那些星星離我們有多遠？它們是由什麼構成的，又為什麼會發光？是否也有像我們腳下的這顆藍色星球繞著它們旋轉？帶著這些疑問，天文學家開始了探索宇宙的徵程。 天文學的主要研究內容、方法和手段。


我們對宇宙的認知來自於四個宇宙信使：光（電磁波）、引力波、中微子和宇宙射線。它們有的來自劇烈絢麗的超新星爆炸，有的來自奇異黑洞間的併合，有的則來自神秘莫測的快速射電暴。當這些信使穿行光年抵達地球時，要麼被太空望遠鏡捕捉，要麼被地面的觀測儀器接收，要麼與深埋於地底下的探測器中的原子相互作用。當天文學家收集到足夠多的數據時，便開始分析這些信使所攜帶的信息，從而揭開種種產生它們的天體物理過程。

光是一種電磁波，肉眼所能看到的光被稱為可見光，波長大約介於400納米到700納米之間，但這只是電磁波譜中的極小一部分。為了能夠「看見」天體發出的所有波段的「光」，天文學家有時需要將望遠鏡發射到太空中去，這是因為大部分的電磁波會被大氣層阻隔，無法抵達地球表面。不同類型的望遠鏡肩負著不同的科學使命，比如通過射電望遠鏡，天文學家可以追蹤宇宙中氫氣的分布，還可以拍攝到超大質量黑洞的照片；伽馬射線望遠鏡則會看到一些極端的現象，比如超新星爆發，雙中子星併合等；太空中的普朗克衛星可以接收到無處不在的微波——這是宇宙大爆炸遺留下的餘暉；未來發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將搜尋最古老的恆星發出的光。引力波，通常被美稱為時空的漣漪。事實上，任何具有質量的物質在加速時都會產生引力波。2015年，雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）首次直接探測到了雙黑洞併合產生的引力波，從而打開了一扇觀測宇宙的新窗口。就像電磁波一樣，不同的源也會輻射出不同頻率的引力波，而LIGO只能觀測引力波譜中的一小部分。令人驚喜的是，當雙中子星併合時，不僅會輻射出引力波，也會釋放出大量的電磁波，這為探索宇宙打開了更多的可能性，也標誌著多信使天文學的崛起。中微子也被稱為幽靈粒子，因為它幾乎不與物質相互作用，所以探測中微子是一項非常艱巨的任務。太陽核心的核聚變，超新星爆發，以及活躍的耀變體都是中微子的宇宙製造廠。過去，天文學家通過探測中微子發現了它們的一個奇妙屬性：在傳播的過程中，三種類型的中微子會轉換身份，這被稱為中微子振蕩。目前，世界上最大的中微子探測器是位於南極的冰立方中微子天文臺。宇宙射線是由帶正電的原子核（>99%）、帶負電的電子（<1%）以及微量的反粒子構成。在這些原子核中，大約有90%是質子（失去了核外電子的氫原子核），其餘的10%為氦核和一些重元素的原子核。當高能的宇宙射線撞擊大氣層時，會產生大量次級粒子，稱作大氣簇射。天文學家會用大型水箱，通過在水箱中產生的切倫科夫輻射來探測這些次級粒子。這四種信使，就好比是我們的視覺、聽覺、觸覺和嗅覺，只有結合在一起才能夠更完整描繪宇宙。試想一下，當你沿著海邊漫步時，欣賞落日餘暉，聽著滾滾海浪，腳踩軟綿細沙，聞著空氣中鹹鹹的味道。這些綜合的感官，才賦予了我們一個完整的海邊體驗。天文學家面對的往往是極其龐大的數據，藉助紙、筆和計算機，他們開始了「枯燥」的分析工作。儘管身在辦公室之中，但他們的心神早已飛向太空，前往熾熱的恆星，快速旋轉的脈衝星，星系中心的奇異黑洞......天文學家們有著不同的興趣領域，有的專注於研究太陽，有的熱衷於尋找地外生命，有的致力於破譯高能宇宙射線的起源。我們對宇宙的認識離不開地面觀測設備的不斷發展，以及一系列太空望遠鏡、太空飛行器的成功發射。接下來，讓我們從地表出發，一同認識天文學的主要研究領域：




參考來源：

https://planetary-science.org/astronomy/astronomy-101/https://www.space.com/16014-astronomy.htmlhttps://web.astro.princeton.edu/academic/undergraduate-program/introduction-astrophysicshttps://en.wikipedia.org/wiki/List_of_unsolved_problems_in_astronomyhttps://www.cfa.harvard.edu/researchtopicshttps://astronomy.fas.harvard.edu/researchhttps://www.nature.com/articles/d41586-018-04157-6https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Sets/Exoplanets_infographics/(result_type)/imageshttp://phl.upr.edu/projects/habitable-exoplanets-catalog/media/pte圖片來源：NASA / ESA / Felix Mirabel / N. R. Fuller / NSF / Pablo Carlos Budassi / Wikimedia Commons / Nobel Prize /IceCube Neutrino Observatory / Mark A. Garlick / CfA / Ann Feild

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