光速恒定這一事實，對探索宇宙非常有幫助！

2019-09-26 18:44 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

當向外看太空時，我們是在向后看時間，那是因為光以光速運動，光到達我的眼睛需要時間。但是，光可以被氣體和塵埃吸收、反射和重新發(fā)射，這給了我們另一個視角。

這被稱為光回波，讓天文學家以另一種方式了解我們周圍的宇宙。相信大家都熟悉回聲的概念，聲音在空中傳播，從遠處的物體反射回來；你聽到原始的聲音，然后是反射的聲音。從反射中，你可以了解反射面；是近還是遠？

那是因為聲速大約是每秒343米，光速c接近300000千米/秒——快到你的眼睛都看不見反射，但是在太空中，星云直徑可達數(shù)光年，天文學家可以看到光穿過氣體云和塵埃云，這是強大的耀斑和超新星回聲。光回波最好的例子是雷達，用來把無線電信號從物體上反射回來，然后映射出來，雷達由發(fā)送信號的發(fā)射器和再次捕捉信號的接收器組成。既然知道光速有多快，就可以檢測到無線電脈沖從物體上反彈回來，然后用它計算出所有物體離你有多遠。

在地球上，雷達用于船只和飛機導(dǎo)航，以及天氣跟蹤等。但是天文學家使用雷達來找到行星的距離，并繪制出小行星的表面情況。例如，當小行星3200 Phaethon接近地球時，阿雷西博射電天文臺收集了它表面的圖像。無線電波是探測反射的完美電磁輻射形式，當光線從遠處的物體反射回來時，已經(jīng)非常微弱了，當它回來時，它變得越來越微弱。但是激光也被用來測量到月球的距離，當宇航員在阿波羅任務(wù)中登陸月球時，在月球表面放置了特殊的反光鏡。

科學家可以向反射器發(fā)射強大的激光，并在反射回來的光線中探測到它。再一次利用光速，可以通過觀察反射的激光返回地球需要多長時間來計算到月球的距離。但要真正利用反射光，需要更亮，比如：一顆新形成的恒星，一顆正在爆炸的恒星，或者一個活躍的超大質(zhì)量黑洞能量輸出——類星體。大自然無時無刻不在以可見光、紅外線和無線電波的形式釋放電磁輻射。天文學家已經(jīng)找到了觀察反射光的方法，從而發(fā)現(xiàn)了宇宙的更多奧秘。

你可能熟悉的一幅圖像是V838 Monocerotis恒星，位于2萬光年之外。天文學家們?nèi)栽谠噲D找出原因，但出于某種原因，在2002年，這顆紅色超巨星的外層大幅膨脹，使它成為整個銀河系中最亮的恒星——比太陽亮度高出60萬倍。它不是一顆新星，物質(zhì)堆積在一顆白矮星表面。它不是超新星，也不是大質(zhì)量恒星在生命末期爆炸的超新星，那是另外一回事。V838一亮，它就消失了，但這次閃光的后續(xù)效應(yīng)，在發(fā)生后的近20年里一直可見。

光在一個球體中穿過恒星周圍的星際氣體和塵埃。當穿過塵埃時，就會分散開來，需要更長的旅程才能到達地球。這種光線反射讓天文學家得以研究塵埃的性質(zhì)，這些塵埃可能是很久以前被恒星拋出，但如果沒有這顆恒星提供的“手電筒”，天文學家是看不到的。天文學家利用光回波來研究年輕恒星周圍行星的形成，NASA斯皮策太空望遠鏡和四個地面天文臺被用來測量一顆新形成的恒星與其原行星盤之間的距離。

這顆恒星名為YLW 16B，距離地球約400光年，質(zhì)量和太陽差不多，但它只有100萬年的歷史。即使在這些強大的天文臺中，原行星之間的距離也太小，無法直接測量。相反，使用光的回聲來獲得大小。年輕恒星在亮度上是可變的，每天發(fā)出的光量都在變化。物質(zhì)從原行星盤中旋出，被恒星的磁場線捕獲，然后落到恒星上，照亮了它。隨著恒星亮度的變化，部分多余的光線會照射到行星盤上，產(chǎn)生天文學家能夠探測到的“回聲”。

既然知道光速，就能計算出光亮到達圓盤需要多長時間，以及縫隙有多大。光到達這個距離需要74秒，這意味著它是0.08個天文單位，離恒星1200萬公里。相比之下，從太陽到水星的距離約為6000萬公里。現(xiàn)在天文學家利用光回波來研究恒星質(zhì)量黑洞周圍的環(huán)境，在國際空間站上使用中子星內(nèi)部成分探測器(或更好的)有效載荷。這個儀器能夠探測到黑洞J1820發(fā)出的x射線，該黑洞以伴星為食。黑洞位于獅子座，距離地球約1萬光年，最早由歐洲航天局的蓋亞任務(wù)發(fā)現(xiàn)。

2018年3月11日，這個黑洞突然爆發(fā)，成為x射線天空中最亮的天體之一。當然，并不是黑洞本身突然爆發(fā)，而是圍繞著黑洞的吸積盤，由伴星偷來的物質(zhì)組成。這種物質(zhì)在周圍旋轉(zhuǎn)，被環(huán)境的強大壓力和磁性加熱。這就產(chǎn)生了x射線輻射，它被日冕包圍，日冕是亞原子粒子加熱到10億攝氏度的區(qū)域。磁盤的不穩(wěn)定會導(dǎo)致崩潰，就像雪崩從山上落下，釋放出大量的輻射。天文學家想要研究的正是吸積盤內(nèi)邊緣。由圓盤塌陷引起的耀斑，它向各個方向釋放x射線，但x射線也穿過圓盤，以不同的波長和強度反射。

天文學家能夠看到黑洞和吸積盤之間的距離在耀斑事件中似乎沒有改變，但是周圍的日冕確實發(fā)生了巨大變化，從160千米縮小到16千米。2014年1月，天文學家在M82星系發(fā)現(xiàn)了一顆超新星。這顆超新星名為SN 2014J，屬于1a型超新星，其中一顆白矮星從伴星上竊取物質(zhì)。當質(zhì)量達到太陽的1.4倍時，就會爆炸——從數(shù)百萬光年外就能清楚地看到。距離太陽系只有1100萬光年，這是天文學家40年來所見過離地球最近的1a型超新星，這是用哈勃太空望遠鏡進行研究的絕佳機會。

哈勃在超新星爆炸10個月后觀察了這一區(qū)域，然后在兩年后再次觀察?？梢郧宄乜吹奖óa(chǎn)生輻射穿過周圍的物質(zhì)，以光速照亮它。天文學家估計，這片由氣體和塵埃組成的區(qū)域圍繞著這顆死星延伸了大約300至1600光年，每年都會被超新星爆炸產(chǎn)生的反射光照亮一光年。事實上，天文學家已經(jīng)看到這種情況發(fā)生了超過15次，但這是所能看到的最高分辨率?？紤]星系合并過程中觀測到的碰撞情況，較大星系ShaSS 073的核心有一個活躍超大質(zhì)量黑洞，這使得它非常明亮。

質(zhì)量較小的星系被稱為ShaSS 622，輻射正從超大質(zhì)量黑洞周圍的吸積盤中傾瀉出來，對較小的星系進行轟擊，使其在吸收并重新發(fā)出光線時發(fā)出光芒。在圖中是一個小點，但它在太空中有18億平方光年。但奇怪的是：根據(jù)計算，天文學家發(fā)現(xiàn)它沒有足夠的輻射使它發(fā)出如此明亮的光。相反，這次爆發(fā)發(fā)生在3萬年前，當時的星系核心要明亮得多，而現(xiàn)在只能看到反射光。光速恒定這一事實對探索宇宙非常有幫助，即使是在它發(fā)出回聲的時候。