宇宙背景


 宇宙航行,美景无限。

  宇宙飞船启航,这时速度较慢,仍可定眼观看宇宙背景。嗬,好一幅美丽的画面。在太空真空中看星星,与在地球上看不同,由于没有大气层的影响,星星显示的都是它们本来的颜色,即由于它们的温度不同,而分别呈黄、红、蓝、白颜色。它们射出的光芒也没有大气折射造成的闪烁。没有了大气层的影响,宇宙背景呈深邃的黑色,使满天星斗像是在黑色天鹅绒上用一颗颗晶莹剔透的宝石镶嵌出的各种图案。飞船的运动,又使这一切具有动感,活像是在立体电影院中欣赏三维电影!

  欣赏之余,又会有这样的沉思浮现脑际:宇宙背景为什么是漆黑的?无限的宇宙有无限的恒星,即使每颗恒星的光是暗淡的,但无限多个暗淡的星光迭加起来,也会形成巨大的光芒。

  19世纪的天文学家H·奥伯斯,也曾为“夜空为什么是黑暗的”这个古老的问题困扰过。因此后来这被称为“奥伯斯佯谬”。

  根据热力学理论,无限个恒星把热和光辐射到空间,会使宇宙空间的温度不断升高,即使在经过100多亿年后,宇宙空间还没有达到恒星表面温度那样的热动平衡状态,也应该是几千K的温度,宇宙背景应该在这个温度上发热发光,它怎么会是漆黑的呢?

  现代宇宙学解开了这个佯谬。首先,恒星不是永恒地燃烧的,原始恒星和死亡了的恒星不发光,发光的主序恒星有一定的寿命;其次,宇宙不是静止的,而是在不断地膨胀着;最后,也是最根本的,宇宙不是无限的,它有有限的年龄,有有限数量的恒星。因此,有限的宇宙和有限数目的恒星的光的迭加,也是有限的,而且是很微弱的,因为宇宙的不断膨胀降低了温度和光芒。

  从热力学角度看,就是从宇宙诞生至今,还没有达到热平衡所需要的足够时间。而且,如果宇宙一直膨胀下去,也将是在很低温度的水平上的平衡。如果这样,不仅现在的宇宙背景是漆黑的,将来也会是漆黑的。
 
宇宙蜃景的蹊跷
 
  收起远望宇宙背景的眼光,低头近看宇宙空间,会发现有粟米大小的颗粒闪过宇宙飞船的舷窗。宇宙空间为高度真空,那会是些什么东西?

  那就是散布在宇宙空间的氢原子。

  可是,我们知道,氢原子的直径只有千万分之一(10-7)厘米,肉眼怎么能看得见呢?

  原来,在高度真空的宇宙空间,氢原子没有了外部压力,它的核外电子与原子核的距离,比在地球上拉大了百万倍,因而肉眼也能看得见了。

  如果在感叹之后再抬起头来,有可能观赏到宇宙蜃景。

  什么是“宇宙蜃景”?爱因斯坦十字

  我们知道,在地球上的海岸边,可能看到“海市蜃楼”;在沙漠中则可能看到“沙市蜃楼”。“宇宙蜃景”就是“星市蜃楼”!

  根据爱因斯坦的广义相对论,一个恒星或星系发出的光线,在通过一个引力强大的天体时,会发生弯曲。如果从光源和这个引力强大的天体的正前方观察,在中间那个引力强大的天体的周围,会形成日全食一样的光环,或者形成对称的两个或四个光点。

  由于这是中间那个天体的强大引力造成的,所以叫作“万有引力幻景”。

  在这种现象中,中间那个引力强大的天体起着透镜的作用,所以又叫“引力透镜效应”。

  又由于这是爱因斯坦预言的,因而又分别被称为“爱因斯坦环”和“爱因斯坦十字”。

  中间那个引力强大的天体周围的光环或十字,就是后面那个发出光线的恒星或星系的放大图像。因而通过引力透镜效应,可以对遥远的恒星或星系进行探测。如果中间那个引力强大的天体是黑洞,那就构成了一架黑洞望远镜。

  宇宙航行,能在如此美景中漫游,真是美不胜收。星星伸手可摘,氢原子俯身可拾,宇宙蜃景似幻却真,使人真正融汇到奥秘无穷的宇宙之中了。千里碧空,闲庭信步,万里长宇,身心化尘。这就是天人一体的境界!

 
宇宙礼花好壮观
 
  前面说到的天人一体的感受,其实才刚刚开始,更令人身心化尘的宇宙美景还在后头。

  如果宇宙飞船航行在“宇宙空洞”之中,前面的“星系长城”清晰可见。“不到长城非好汉”,凡是到过我国雄伟的万里长城的人,此时站在长城之上的那种浮想联翩,心潮翻滚的心情,一定再次泛起。

  正当沉思之时,前面一颗恒星的亮度突然增大100万倍。那是一颗质量与太阳相当的老年恒星--红巨星的死亡。在天文学上叫“新星爆发”。那巨大的亮光不仅照亮了“宇宙空洞”,也使“星系长城”变得隐隐约约。而被炸碎的红巨星的外壳,则像礼花一样在“星系长城”之上绽放。类星体

  而如果是质量更大的老年恒星--红超巨星死亡,则叫“超新星爆发”,亮度在顷刻之间增大几千万倍到上亿倍,同时释放出巨大的能量,每秒钟达1045-1052尔格。此时,“星系长城”则会被淹没在这巨大的光芒之中,而那“礼花”却更加灿烂辉煌。

  继续前行,还可看到更加壮观的宇宙景象,如类星体的中心喷流和光变。

  类星体中心向外喷射的高能气体喷流,长度达几千光年,甚至几百万光年。要知道,银河系的直径才10万光年呀。随喷流释放的电波能量,是银河系的100万倍。这喷流,像喷泉,更像连续施放的礼花。

黑洞  类星体的光变同样异常壮观,它在几十分钟之内光度可增加几倍。由于它本身的光度基数很大,是太阳光度的107亿倍,因此,在类星体的光度面前,超新星爆发的光度就是小巫见大巫了,只及其千分之一。类星体的光变,有如焰火施放间歇中的探照灯扫过夜空,令人遐思闪烁。

  类星体中心巨型黑洞的潮汐力,可以将靠近它的恒星撕裂,那种壮观场面更是空前的。当运行在轨道上的恒星逐渐靠近类星体中心和随后逐渐远离时,就像有一双无形的手,使恒星像揉面团一样不断地改变形状,最后变成雪茄形,在眼看就要远离时,雪茄形的恒星突然碎裂,成为类星体中心巨型黑洞的美食。但是,碎裂的恒星碎片并不直接落入黑洞,而是在黑洞上方形成一个吸积盘,由于温度高,吸积盘除放射X射线外,还发可见光,使吸积盘像一张巨大的光碟在空中旋转,煞是好看。

 
喜见星虹和光塔
 
  随着宇宙飞船的飞行速度不断提高,从舷窗外闪过的星星,一个个变成向前倾斜的飞镖,它们在前进的水平方向上的尺度被压缩了,而在与前进方向垂直的上下方向上则被拉长了,因而由原来的圆形变成了弯勾形,而且向视野中心靠拢。

  这是为什么?圆形变弯勾形是由爱因斯坦广义相对论的速度效应造成的。而向前倾斜则是由光行差效应造成的。大家都会有这样的经验,在雨中行车,会感到雨滴是从前上方斜着落下来的,那就是光行差效应。

  在宇宙中高速航行,光行差效应和其它效应的组合,还会造成绝世美景。在飞船速度达到97%以上后,通过舷窗向后看,一个星星也看不到。原来,所与星星都跑到飞船前面去了,而且一个个都改变了原来的颜色,按蓝、白、黄、橙、红色,从正前方中心点向两边呈弯弓状排开,真像旧戏中主帅出场时,站在舞台两边跑龙套的队伍。其实,这些比拟都是蹩脚的,它就是用言辞难以形容的星虹!

  星星都跑到飞船前面去了,这当然是光行差效应,而星星改变颜色则是光的多普勒效应造成的。由于星光与宇宙飞船有相对运动,它们的波长和频率会发生变化。在飞船后面的星星,远离飞船而去,星光的波长变长,频率变小,因此,其光谱向红端移动,即发生“红移”,颜色逐渐变红;而在飞船前面的星星,高速向飞船靠近,星光的波长则缩短,频率增高,因此,其光谱向蓝端移动,即发生“蓝移”,颜色逐渐变蓝。由于在飞船正前方的星光,特别是视野中央最前方的星光,相对飞船而来的速度最高,蓝移最大,不管原来是什么颜色,都因蓝移而一律呈蓝白颜色。而飞船后边的星光,由于都以极高速度远离而去,则不管原来是什么颜色,都一律按远近距离呈黄、橙、红色排列,这就形成了星虹。

  在宇宙飞船的速度无限接近光速时,就像在地球上日落西山之后,天空逐渐变暗一样,在宇宙飞船前面的星虹逐渐消失,整个宇宙空间逐渐黑暗下来。

  就在这时,最后的奇迹出现了,在飞船前方出现一个光点,像是在黑暗中指引宇宙飞船前进方向的灯塔。

  这又是为什么?原来,这时在飞船前后的星光,都分别蓝移或红移出了可见光波段,看不见了,而宇宙大爆炸时遗留在空间的微波背景辐射却频移到了可见光波段,并集中在正前方形成一个亮点。