太空10大奇景：反物質、黑洞、星系相食及真空能量、大爆炸理論

摘要：太空中有很多奇特的事物和現象，SPACE.com將主要介紹其中10個最為奇特的景象——包括暗物質、星系相食和類星體等。

太空奇景前10

宇宙空間是個匪夷所思的所在，接下來隨我去看看這些宇宙奇景吧。

反物質

就像超人有他的邪惡化身比扎羅（Bizzaro）一樣，組成正常物質的粒子也有自己的另一面。舉個例子，電子有負電荷，而其對立面則是正電荷。按照愛因斯坦質能等價理論¹，物質與反物質相互碰撞時，二者會按E=mc2的方程式轉化成純能量。一些未來主義的宇宙飛船設計就採用了反物質引擎。

微黑洞

如果最新的「膜宇宙」萬有引力理論成立，那就是說太陽系中散布著成千上萬個微型黑洞，每個微型黑洞都只有原子核那麼大。與其它較大的黑洞不同，這些微型黑洞都是大爆炸時期的遺留物，由於它們都與第五度空間有著密切聯繫，所以都對時空有著不同的影響。

宇宙微波背景

宇宙微波背景通常被稱為CMB，這种放射物也是大爆炸產生宇宙時的遺留物，首次發現於20世紀60年代，當時被認為是宇宙中普遍存在的無線電雜訊。CMB是從理論上證明宇宙大爆炸存在的最有力證據。最近，威爾金森微波各向異性探測器²（WMAP）進行了一系列精密測量，最終認定CMB的溫度是零下455華氏度（零下270攝氏度）。

暗物質

科學家認為宇宙中大部分物質都是由暗物質組成的，但是以目前的科學技術既不能觀測到其形成過程，也無法驗證這一說法。科學家關於物質組成的猜想從輕質中微子到無形的黑洞，眾說紛紜。有些科學家質疑黑洞的真實性，並提出，若對地心引力有更深刻的理解，就能解開關於暗物質的種種疑團了。

系外星球

20世紀90年代初期，人們所知道的行星還只限於太陽系中那熟悉的幾顆。到2010年11月，天文學家已經觀測到500多顆太陽系外行星，從不能稱之為星球的龐大氣團到繞昏暗的紅矮星³運轉的體積較小的岩石星球，真是五花八門。科學家仍在繼續尋找第二個地球。天文學家普遍認為利用更為完善的科學技術我們終將找到另一個與地球相似的星球。

重力波

重力波是艾伯特．愛因斯坦廣義相對論所預言的時空中畸變的產物。重力波以光速傳播，但是這種波非常微弱，科學家只能探測到黑洞合併（比如，上面的宇宙大爆炸）等巨大的宇宙現象中產生的重力波。激光干涉引力波天文台⁴（LIGO）和激光干涉空間天線⁵（LISA）是兩款針對難以探測的重力波的探測儀。

星系相食

就像地球上的生物一樣，星系之間也會「互食」並隨著時間的推移進化。銀河系與仙女座星系相鄰，仙女座星系就正在吞噬銀河系的一顆衛星。仙女座星系散布著超過12個星團，都是宇宙中星系相食的結果。上面這張圖片就是對仙女座星系與銀河相食的模擬，預計這種碰撞將發生在30億年後。

中微子

中微子實質上是無質量的、呈電中性的基本粒子，它們可以穿過數英里的距離而不和任何物質相互作用。當你讀到這句話的時候，就有一些這樣的粒子穿過你的身體哦。這些幽靈般的粒子是由燃燒著的無害星球的內部火焰產生的，即將消失的星球上發生的超新星爆炸也會產生這種粒子。人們將探測儀嵌入海底的地下或者冰川中，冰立方⁶就是一個中微子探測項目。

類星體

這些明亮的光芒從我們能觀測到的宇宙邊緣傳來，幫助科學家了解形成初期還處於混亂狀態的宇宙。類星體釋放出的能量比幾百個星系合併釋放出的能量還要多。人們普遍認為類星體是遙遠的星系核心的巨大黑洞。

圖為類星體3C 273，攝於1979年。

真空能量

量子力學告訴我們，與表面現象相反，真空是一個泡泡構成的「虛擬」的亞原子粒子，不斷破滅又不斷再生。這種轉瞬即逝的粒子使得每立方厘米的空間都充滿著某一種能量，根據廣義相對論，這些能量產生了一種反重力的力量，能把宇宙空間隔開。然而，沒人知道究竟是什麼導致宇宙加速膨脹。

譯者註：

1. 質能等價理論（Mass energy equivalence theory）是愛因斯坦狹義相對論最重要的推論，即著名的方程式E=mC^2，式中為E能量，m為質量，C為光速；也就是說，一切物質都潛藏著質量乘於光速平方的能量。由此可以解釋為什麼物體的運動速度不可能超過光速。

2. 威爾金森微波各向異性探測器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，簡稱WMAP）是美國宇航局的人造衛星，目的是探測宇宙中大爆炸後殘留的輻射熱，2001年6月30日，WMAP搭載德爾塔II型火箭在佛羅里達州卡納維拉爾角的肯尼迪航天中心發射升空。

3. 紅矮星(red dwarf)：是指表面溫度低、顏色偏紅的矮星，尤指主序星中比較「冷」的M型及K型恆星，這些恆星質量在0.8 個太陽質量以下，表面溫度為2,500至5,000 絕對溫度。除太陽外最接近地球的恆星—比鄰星（Proxima Centauri)—便是一顆紅矮星。它們也擁有較長的壽命。質量低於0.35太陽質量的紅矮星會有充分的對流，氦元素會在恆星內部均勻分布，而不會在核心累積，紅矮星不會膨脹成紅巨星，而逐步收縮，直至氫氣耗盡。它們會保持穩定的光度和光譜持續數千億年，由於現在宇宙的年齡有限，還沒有紅矮星發展到之後的階段。

4. 引力波觀測激光干涉儀 (LIGO，Laser Interferometer Gravitation wave Observatory)，位於美國的 LIGO 觀測所擁有兩套干涉儀，一套安放在路易斯安娜州的李文斯頓，另一套在華盛頓州的漢福。在李文斯頓的干涉儀有一對封閉在 1.2 米直徑的真空管中的 4 公里長的臂，而在漢福的干涉儀則稍小，只有一對 2 公里長的臂。這二套 LIGO 干涉儀在一起工作構成一個觀測所。這是因為激光強度的微小變化、微弱地震和其它干擾都可能看起來像引力波信號，如果是此類干擾信號，其記錄將只出現在一台干涉儀中，而真正的引力波信號則會被兩台干涉儀同時記錄。所以，科學家可以對二個地點所記錄的數據進行比較得知哪個信號是雜訊。LIGO 從 2003 年開始收集數據。它是目前全世界最大的、靈敏度最高的引力波探測所。一系列的升級計劃將更進一步提高其靈敏度。

5. 激光干涉空間天線（LISA，Laser Interferometer Space Antenna），是一個由美國國家航空航天局（NASA）和歐洲空間局（ESA）合作的引力波探測計劃，目前仍在設計階段，計劃於2015年投入運行，這將是人類第一座太空中的引力波天文台。LISA也是美國國家航空航天局的「超越愛因斯坦」（Beyond Einstein program）項目的一部分。「超越愛因斯坦」是一組實驗上驗證愛因斯坦廣義相對論理論的計劃，其中包含兩個空間天文台（HTXS——X射線天文台和LISA）和數個以宇宙學相關觀測為目的的探測器。LISA將利用激光干涉的方法精確測量信號相位，從而對於來自宇宙間遙遠的引力波源的低頻且微弱的引力波進行探測。這將對引力波天文學的理論和實驗研究，廣義相對論的一些實驗觀測以及早期宇宙的天體物理學和宇宙學研究有重要意義。

6. IceCube中微子探測器是位於南極阿蒙森-斯科特站冰蓋以下的三維大氣簇射陣列，由美德等10國共同建設維護，主要目標用來探測地外高能中微子源，為理解高能宇宙射線打開一扇新的窗口。IceCube單個DOM探測器以分布在冰面上的1平方公里的探測器 (81個站點，324個探測器) 組成的IceTop部分；在冰面下方，是由一系列「繩索」懸吊著的一系列探測器，這些探測器在冰面以下1.45到2.45公里處組成的1立方公里的探測器陣列 (IceCube Array)，一共有86條「繩索」 ，每條上面有60個光學探測器 (稱為DOM：digital optical modules，數字化光學模塊)；其中還有被稱為DeepCore的8條「繩索」上面的480個專門為探測低能量中微子優化的探測器子陣列。