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对氢原子“人口普查”

2018-10-07 10:29:00 栏目 : 科学技术 围观 : 评论

追踪氢原子的演化与分布

人们常说 " 天上的星星数不清 ",但其实把天上的星星数清楚,对天文学家来说并不是什么难事,非但如此,天文学家甚至有可能把宇宙中的原子数量一一数清。

给宇宙中的原子计数,听起来是项不可能完成的繁琐工作,其实并非如此。组成原子核的粒子是在 137 亿年前的大爆炸之后诞生的,它们的数量首先可以通过大爆炸的理论模型推算出来。然后,我们可以通过观测来验证推算结果。

宇宙在大爆炸中诞生之后,首先出现的物质是大量的自由夸克和电子,随着宇宙膨胀,温度不断降低,夸克们结合在一起形成了质子和中子。然后,除少量中子和质子又结合在一起成为了氦原子核,剩下的大量质子与充斥宇宙的自由电子结合,形成氢原子。此时宇宙中的物质有 75% 是氢原子,剩下的 25% 则几乎全是氦,只有极少量其他原子。

在接下来的 100 多亿年中,宇宙不断膨胀和演化。氦的数量虽然也不算少,但氢才是宇宙演化的主角,因为只有氢原子才能点燃那些璀璨的恒星。古老的氢气体云在自身引力的作用下,逐渐坍缩,形成了恒星和星系。第一代恒星质量巨大,在其核心中进行的氢聚变反应异常剧烈,所以它们会迅速燃尽自己,把一些氢原子加工成较重的元素。最终这些恒星在超新星爆发中毁灭,并把重元素散播进了星际空间。在这之后,新形成的恒星继续着这样的聚变过程,把氢锻造成重元素。时至今日,宇宙中除了氢和氦之外,还有碳、氧、硅、铜、铀等上百种元素,这些元素形成了包括地球在内的行星,以及我们人类自己的身体。

虽然在地球上氧和硅等元素所占的比例更大,但氢依然是宇宙中物质的主宰,它至今仍然占有了宇宙全部可见物质的 74%,氦在宇宙中的比例大约是 24%,其他重元素合起来也只有 2%。现在大量的氢气体云还弥漫在星际空间中,而恒星中真正参与了核聚变反应的也不过是核心中的少数氢。

天文学家可以追踪氢原子们的百亿年演化过程,找到氢原子们现在分布在哪里,推算出我们的银河系应该分到了多少个氢原子。然而科学家通过天文望远镜观测到的银河系中氢原子数量与理论推算值严重不符,几乎少了一半。这是怎么一回事呢?

星系人口普查

在星系中,物质能躲藏的地方并不多。恒星基本不可能漏掉,现在光学望远镜非常强大,几乎所有的恒星都逃不过它们的眼睛。至于星际间那广阔无垠的空间,虽然那里的氢原子密度仅有每立方米几百个原子,几乎就和真空一样,但也并非难以观测的。

首先,在恒星附近由氢原子组成的气体云,在被它们所环绕的恒星加热后,会发出射电波段的辐射,使得天文学家可以利用射电望远镜来描绘出这些气体在天空中的分布情况。其次,那些远离恒星的氢气体云观测难度大些,虽然这里的氢原子密度达到每立方米数万亿个,而且还大量收缩形成氢分子云,但在这样恒星光芒无法照耀的星际空间里,温度极低,那些低温的氢分子云不会稳定地发出射电或红外辐射,所以不能直接被观测到。不过,幸运的是,在氢分子云里还能形成一氧化碳,氢分子云的大小与一氧化碳形成量之间存在一定的比例关系,而一氧化碳分子是会发出射电辐射的。所以,就算我们不能直接看到氢分子云,根据观测到的一氧化碳的量,也完全可以推测出那儿有多少氢分子。总而言之,以各种形式存在于恒星和星际空间中的氢原子的数量,天文学家都能一一把它们清点出来。

但即使把所有这些氢原子藏身的地方都清点出来,整个银河系氢原子数目与理论预测值还是相差太远。

漏查了星际尘埃

天文学家不得不承认,要想在小小的地球上找到银河系所有氢原子的藏身之地,确实是件很困难的事。好在天文望远镜的功能越来越强大,它们有能力把银河系再细细排查一遍。美国航天局的康普顿伽马射线空间望远镜是当代世界上最先进的天文望远镜之一,它从 1991 到 2000 年间,一直在收集来自银河系的高能伽马射线源的数据。天文学家在分析这些观测数据时,发现了许多身份不明的伽马射线源,分布遍及整个银河。当天文学家把康普顿望远镜得到的伽马射线源分布图和其他观测进行比较的时候有了惊人的收获。他们发现,那些身份不明的伽马射线辐射源竟然是从星际尘埃聚集区域发射的!高能的宇宙射线与尘埃颗粒发生剧烈碰撞,激发出了这些伽马射线。星际尘埃是恒星核聚变合成的碳、氧、硅等元素形成的固体颗粒,在恒星形成时被甩到了星际空间而已,它们总是伴随着大量氢分子云。

这些星际尘埃聚集区既不在恒星周围,也不在远离恒星的寒冷的宇宙空间,而是介于这两者之间,因此,这里是一片既不太冷也不太热的广阔区域,在这个区域中,氢原子因温度较低,没有发出可观测的辐射,也没有一氧化碳分子帮忙指示,所以被天文学家忽略了。如今,天文学家根据伽马射线辐射区的大小,推测出了这些区域氢分子云的数量。

星系之外的世界

不过,这个发现要填补失踪的氢原子还是不够的。天文学家再次在银河系一遍遍搜索,但这次他们注定要大失所望,因为银河系每个角落都早已被他们扫遍了。那些失踪的氢原子究竟躲到哪儿了呢?

有的天文学家认为应该去银河中心区域寻找,可能有大量的气体被引力困在那里。还有的天文学家相信,那些氢原子可能飘到了银河系外围,那附近几乎没有恒星,也就没有尘埃。而尘埃可以让吸附在上面的氢原子合成氢分子,少了它们的帮助,氢元素只能以冰冷稀薄的原子形态存在,很难通过射电望远镜观测到。天文学家发现,银河系外围确实存在一些延伸很远的气体盘,算上气体盘,星系中的氢可能要增加 20% 到 50%。甚至还有人认为,失踪的氢原子可能孤独地飘荡在星系与星系之间的宇宙空间里。天文学家发现,某些遥远星系中心的超大质量黑洞发射出的 x 射线,在穿过星系之间的空间时消失了。科学家推测,吸收掉 x 射线的正是弥漫在星系之间的氢原子,只是其密度极低,每立方米的空间大约只有 6 个氢原子左右。

科学家如此千辛万苦地搜查下来,才好不容易使银河系氢原子的观测数值与理论预测值吻合。可是,如果失踪的物质真是弥漫在星系之间的话,我们过去对星系演化的认识恐怕也得改一改了。过去人们认为星系成长都是通过碰撞合并,但如果星系之间还有很多气体,星系就可以吸收周围的星系际气体自己长大了,这样,过去的星系成长模型又得修改了,天文学家又有的忙了。

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