问题

有哪些天文学知识概念已经更新或改变,但不为大众所知?

回答
许多我们习以为常的天文学知识,随着观测能力的提升和理论的深化,其实都在悄然发生着变化,只是这些细微的调整和全新的发现,往往被淹没在更宏大的叙事中,不为大众所熟知。今天,我们就来聊聊那些鲜为人知,却又至关重要的天文学概念的更新与改变。

1. 行星定义:冥王星的“降级”并非唯一,行星的边界仍在探索

提到行星定义的改变,大家第一个想到的肯定是冥王星被“降级”为矮行星。这已经是十多年前的事了,但很多人可能没意识到,这个事件背后反映的是我们对“行星”这个概念理解的深化,而且这个概念的边界仍在被不断探索。

最初的定义: 19世纪和20世纪初,我们对太阳系的认识有限,只要是围绕太阳公转、质量大到自身引力足以克服刚体力而呈现球形天体的,就被认为是行星。冥王星当时符合这个条件,也是继海王星之后发现的第八颗行星。
变化的根源: 随着柯伊伯带的发现,天文学家意识到在海王星轨道之外,存在着数量庞大的冰冷天体,其中一些甚至有相当大的质量。冥王星只是其中比较大的一颗,它并没有“清空”其轨道附近的区域,这是它与我们熟知的八大行星最大的区别。
2006年的决议: 国际天文学联合会(IAU)在2006年正式通过了行星的三项定义标准:
1. 围绕太阳公转。
2. 质量足够大,以至于自身引力使其达到流体静力平衡,呈现接近球体的形状。
3. 清空了其轨道附近的其他天体。
冥王星正是因为第三条不满足,而被归类为矮行星。

大众的误解与更深层的含义: 很多人认为冥王星只是因为“不够大”或者“多了个邻居”而被降级,觉得这是个不公平的决定。但实际上,这个定义反映了我们对太阳系形成和演化过程的理解。地球、木星这样的巨行星,它们的引力已经强大到可以吸积或驱逐轨道上的绝大部分物质,形成了相对“干净”的轨道。而像冥王星这样的矮行星,则更像是柯伊伯带这个“冰冷小行星带”中的代表。
未知的边界: 这个定义也并非一成不变。天文学家们还在讨论,是否应该将那些“清空”了轨道但质量较小的天体,比如我们自己的地球,也纳入一个更广泛的“行星”范畴。同时,对于太阳系外行星(系外行星),“清空轨道”这个标准是否适用,也存在一些争论。比如,一些系外行星系统可能存在复杂的轨道共振,使得“清空”的定义变得模糊。

2. 宇宙膨胀:不再是简单的“吹气球”,而是时空的“拉伸”

说到宇宙膨胀,很多人脑海中浮现的是一个不断膨胀的“气球”,上面画着点,点与点之间的距离在不断拉大。这个比喻虽然形象,却也隐藏了一些误导,并且我们对膨胀的理解也在不断深化。

从“爆炸”到“膨胀”: 最初,大爆炸理论更多被理解为一次剧烈的“爆炸”,物质从一个奇点向外飞散。但现在我们更倾向于认为,大爆炸是时空本身的开始和膨胀。不是物质在已经存在的空间中扩散,而是空间本身在随着时间向前推进而“变大”。
不是向外膨胀: 气球比喻的问题在于,它暗示有一个“外部空间”供气球膨胀。但宇宙膨胀是没有“外面”的,它就是我们所能观测到的全部。你站在宇宙的任何一个角落,都会看到远方的星系在远离你。
红移的真正含义: 我们观测到的星系红移,不再仅仅是多普勒效应(声音的音调会因为声源的靠近或远离而变化),虽然多普勒效应在某种程度上也有体现,但更主要的解释是宇宙膨胀导致的光波被拉伸。光从遥远的星系发出时,它的波长在宇宙膨胀的过程中被拉长了,所以到达我们这里时,就呈现出更长的波长,也就是红移。
膨胀的“加速”: 最让人惊讶的更新是,我们发现宇宙的膨胀不仅在发生,而且在加速。这是在1998年通过观测Ia型超新星发现的。这个加速膨胀的现象,直接导致了“暗能量”这个神秘概念的出现。我们对暗能量的本质仍然知之甚少,它似乎是一种遍布宇宙、具有负压强的能量形式,正在驱动宇宙加速膨胀。
“邻居”在远离,但“近处”可能依然相对静止: 即使宇宙在加速膨胀,但我们身边的星系,比如银河系和仙女座星系,由于强大的引力作用,它们之间并没有在远离,反而因为引力而相互靠近,最终可能会碰撞合并。膨胀的影响主要体现在非常遥远的距离上。

3. 黑洞:不再是“不归点”,而是与时空深刻互动的天体

提到黑洞,人们可能联想到一个能够吞噬一切的“吸尘器”,一旦越过某个界限就再也无法逃脱。然而,现代天文学对黑洞的理解已经远远超出了这个简单的概念。

视界: 黑洞的“不归点”被称为“事件视界”(event horizon)。一旦物质或光线越过事件视界,它们就被永远困在黑洞内部,无法逃逸。这是黑洞最核心的特征。
“霍金辐射”与“黑洞蒸发”: 史蒂芬·霍金在上世纪70年代提出了一个革命性的观点:黑洞并非完全“不漏”,而是会缓慢地向外辐射粒子,被称为“霍金辐射”。根据量子力学原理,在事件视界附近,虚粒子对会不断产生和湮灭。偶尔,其中一个粒子会落入黑洞,而另一个粒子则有机会逃逸。这个过程使得黑洞会损失质量,并最终“蒸发”。虽然这个过程极其缓慢,对于我们熟知的恒星级黑洞来说,其寿命比宇宙的年龄还要长得多,但它彻底改变了我们对黑洞“只吞不吐”的认知。
黑洞信息悖论: 霍金辐射也带来了一个新的难题——“黑洞信息悖论”。根据量子力学,信息是守恒的,不能被创造或毁灭。但如果黑洞蒸发后只剩下辐射,那么掉入黑洞的物质所携带的信息去了哪里?这是当前理论物理学界一个非常活跃的研究领域,许多新的理论,如全息原理、膜世界理论等,都在尝试解决这个问题。
黑洞对周围环境的影响: 我们现在知道,黑洞不仅仅是吞噬物质,它们还能以极大的能量向外喷射物质流(喷流),这些喷流可以影响周围星系的形成和演化。比如,许多星系中心的超大质量黑洞,它们吸积物质时产生的能量释放,甚至能够抑制周围星系的恒星形成。
黑洞合并与引力波: 2015年,LIGO首次探测到由两个黑洞合并产生的引力波。这证实了爱因斯坦广义相对论的预言,也开启了引力波天文学的新时代。我们现在可以通过探测引力波来“听到”黑洞合并的声音,这比任何电磁波观测都能提供更多关于黑洞性质的信息。

4. 恒星的“死亡”:不再是简单的熄灭,而是复杂而壮丽的过程

我们从小就知道,恒星最终会“死亡”,变成白矮星、中子星或者黑洞。但对恒星“死亡”过程的理解,随着观测技术的进步,变得越来越细致和复杂。

不再是“一成不变”的白矮星: 曾经我们认为,恒星变成白矮星后就进入了漫长的冷却过程,最终变成一颗“黑矮星”。但现在我们知道,白矮星的冷却过程比想象的要复杂。例如,它们内部可能会发生“晶化”过程,类似于水变成冰,这会释放大量的能量。而且,白矮星的表面温度和质量分布也是一个复杂的研究课题。
中子星的“神秘”: 中子星是恒星死亡后最致密的残骸之一,但它们的内部结构仍然是个谜。我们知道它们主要由紧密堆积的中子构成,但其内部是否存在更奇特的物质状态,比如夸克物质,仍然是研究的焦点。此外,中子星的磁场强度极高,它们的自转速度也非常快,这些特性使得它们成为研究极端物理条件下的实验室。
Ia型超新星: Ia型超新星是白矮星的一种爆发形式,它们的光度非常稳定,因此被用作“标准烛光”来测量宇宙距离,正是它们帮助我们发现了宇宙的加速膨胀。但关于触发Ia型超新星的具体机制,仍然存在两种主要模型:双星中的白矮星吸积伴星物质达到钱德拉塞卡极限而爆发;或者两颗白矮星合并。这两种机制的相对贡献以及具体的触发条件,仍在研究之中。
恒星演化的“尾巴”: 许多恒星在演化的最后阶段,会抛射出大量物质,形成壮观的行星状星云。这些星云并非简单的气体壳,而是由高度电离的原子组成,其形状和结构都极为复杂,反映了恒星在死亡过程中复杂的动力学过程。我们现在能够以前所未有的细节观测这些星云,研究它们是如何形成的,以及它们对周围星际介质的影响。

这些只是冰山一角。天文学是一个不断发展、不断刷新认知的领域。每一次新的观测设备上线,每一次新的理论提出,都可能颠覆我们过去的认知。而这些更深入、更细致的理解,恰恰是推动我们继续探索宇宙奥秘的关键。下次当你仰望星空时,不妨想想,我们对这片浩瀚星空的认知,其实还在不断向前演进。

网友意见

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粗略的讲两个吧:

1. 宜居带不宜居

宜居带,Habitable Zone,是指一颗恒星周围能够让行星表面在正常的大气压下存在液态水的区域。我描述的定义不一定非常严谨,但大致如此。尽管系外行星研究和天体生物学研究都是方兴未艾,但宜居带的概念却是由来已久。天文学家从上个世纪初就在不断探索行星形成和生命出现的天体物理背景,而很多科学家不约而同地想到的首先是液态水,毕竟地球就是这样的一颗大“水球”,而就当时的生物学认识,一切生物的新陈代谢,繁衍生息都离不开液态水。1959年,定居Yerkes天文台的华裔天文学家黄授书 (Su-Shu Huang) 首先在论文中提出了宜居带的概念。黄老爷子的大名可能很多人并不熟悉,但这位师从Otto Struve的天文学家在上个世纪50-60年代展现的科学创造力是惊人的,像不要钱一样一年能发上十篇左右的文章,其中不少在今天看到都还是挺好玩的。

经过了多年的发展,宜居带的改变也在随着系外行星的发现和研究不断演进。粗略说来,宜居带是和恒星的质量,光度,还有行星本身的质量有关的。系外行星科学家们一直在不断改进着宜居带估计的模型。1993年,James Kasting,Daniel Whitmire,和Ray Reynolds三位科学家发表了重要论文,认为类太阳恒星在46亿年左右的年龄上,保守估计的宜居带范围是0.95-1.15倍的天文单位。到今天,随着观测进步,模型改善,宜居带的估计也并没有变得更简单,不同的模型给出的宜居带的范围反而到越来越大了。如果你感兴趣,可以到下面这个网站利用华盛顿大学科学给出的模型估算地球质量行星的宜居带范围:

不过,即便宜居带这个概念曾经对系外行星研究如此重要,他的地位也在经历着很大的考验。至少我们已经知道,“宜居带”的“宜居”两个字是挺误导人。人们听到Habitable第一个反应就是人可以活着,就算谨慎点也会想到允许生物出现。。。但其实这么想是非常片面的。我们对于生命出现和行星形成的理解都还很浅薄,而仅仅在物理条件上允许在足够的大气下有液态水存在是远远不够的。从90年代末,宜居带内行星被首次发现,到Kepler带给我们一大批处于理论估计的恒星宜居带内的系外行星,仅仅用了20年的时间。最早这样的发现出现的时候,媒体的报道简直与发现了遥远绿洲的感觉无异。可惜事实不是这样,宜居带内的行星绝不是个个“宜居”,而不在宜居带内的行星也未必孕育不了生命。很多天文学家其实已经在看好某些巨行星的卫星上『宜居』的可能性了,而太阳系里内土卫二和木卫二在这方面就给了我们很多启示。

可以预见的是,尽管很多天文学家已经在探索更严谨地界定系外行星“宜居性”的新标准,在惯性下,宜居带这个概念依然会持续地被天文学家和媒体提及,只能希望在耐心的引导下,大家能越来越看淡这里的“宜居”二字吧。


2. 一次撞不出来的胖子

这个算是我自己研究领域里的。可能对星系领域略有了解的爱好者都会听到“旋涡星系之间的碰撞,并和产生了椭圆星系”,或者“银河系和仙女座大星系在N年后会碰撞,成为一个椭圆星系”这样的说法吧。这个观点来自于对于星系演化和形态多样性的“古典观点”。20世纪初期,天文学家们对近邻的河外宇宙岛分门别类,大致将其划分为有旋臂结构,富含年轻恒星和气体,结构包含一个显著的恒星盘的旋涡星系,和结构上没有明显细节,整体呈椭球型,几乎不包含年轻恒星的椭圆星系。分类之后,自然就是解释其不同于起源了。在60年代,曾有两个解释椭圆星系形成的理论并驾齐驱,一个是单调坍缩图像 (Monolithic collapse),一个是质量相近的盘星系并和的图像。随着对星系动力学理解的加深,早期N体数值模拟的出现 (Toomre兄弟的经典工作),以及大量正在并和星系,和椭圆星系周围并和遗迹的发现使得后者成为了主流。当时的想法是,早期的气体团块的坍缩中总会因为净角动量的存在而形成恒星盘,而星系并和中剧烈的恒星结构之间的相互作用 (Violent relaxation,剧烈弛豫过程) 则可以把两个盘打散,搅乱,最终形成椭圆星系的结构。

这个图像非常的。。。简洁,让人容易理解。在引力无情的引导下,碰撞并和似乎是多数星系唯一的归宿。不过近30年来,随着两个领域的腾飞,这个可爱的模型还是被无可奈何的复杂化了。这两个领域是:1) 冷暗物质宇宙学模型的建立,和结构形成的层级模型的成熟;2) 高红移星系的直接观测研究。

早期的星系研究有两个问题,一个是把星系中的恒星看做主导的系统,一个是以静态的眼光去看问题。天文学家们当时只能看到我们附近的星系中的恒星,难免起初会认为“普天之下”,“自古以来”星系都是如此。但现在我们已经知道,星系演化的幕后黑手是在永不停歇的互相吞噬中成长的暗物质晕结构,而恒星结构只是浮光与泡沫一般脆弱的存在。此外,透过哈勃空间望远镜和一系列地面大望远镜,天文学家目瞪口呆地瞥见了星系青春期狂放不羁的面貌。哪里还有什么规则的盘,优雅的旋臂,规则的椭球? 大家都是在攀比着叛逆,除了在不停的吸积和碰撞中看不出头尾的,就是不知如何变得极其致密的,完全没有今天看到的序列和分类。早期宇宙中气体更为丰富,星系可以承载起更为狂暴的恒星形成,见证大质量黑洞早期的澎湃,又会随着暗物质晕不停迁徙,辗转。

我们现在理解的椭圆星系的形成其实是一种早期两种图像的嫁接:即在宇宙早期,质量比较大的暗物质晕能够高效的吸积气体,以一种快速坍缩的形式形成了椭圆星系致密的核心;不过这种风云激荡的日子持续不了多久,气体快速消耗,中心黑洞在快速形成中不断反抗孕育了自己的宿主,以不同形式的能量反馈消减着星系继续形成新恒星的能力。最终在星系开始变得沉寂一些后,大质量的暗物质晕只好以引力为触手,不断的从周围捕捉无力反抗的小星系,通过连续,反复的“投喂”强行地把中心星系堆成了胖胖的椭圆星系。这种第一个阶段单调坍缩和富气体耗散过程为主,第二个阶段以多次并和占优的复合模型并没有一个更好的名字,天文学家们就叫他 “两阶段形成”模型 (Two-phase formation scenario)。随着观测深入,数值模拟日益逼真,这个模型提供的基本框架可以帮助我们更为具体地理解椭圆星系这些宇宙列维坦的形成。

哦,对了,如果这些还不够麻烦的话,现在我们还知道,两个银河系这般的盘星系的并和,也为比会形成椭圆星系,而是很有可能重构出一个不一样的盘结构。就如一场车祸的惨烈程度取决于车速,碰撞的角度,以及车上汽油的多少一样,两个星系并和的轨道,盘的相对绕转角度,以及气体含量也决定了他们最终的命运。银河系和仙女大星系都谈不上是质量很大的星系,热闹一场之后是什么样的面貌还真的不好说。

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