书城童书世界科学博览(全4卷)
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第30章 灿烂群星新发现

火星气候也变暖

火星美国科学家公布一项研究结果,证明火星正在遭遇短期气候变暖,而且其表面温度升高速度是地球的4倍。

科学家长期以来一直密切关注火星表面温度变化。根据季节和地点不同,火星表面温度变化范围为-87~-5℃。

计算机模型数据显示,20世纪70~90年代,火星表面平均温度上升了0.65℃。相比之下,地球表面平均温度在整个20世纪升高了0.75℃,变暖速度仅是火星的四分之一。研究人员说,过去4年里,火星南极的冰层正在逐渐融化。

科学家们经过长期实际观测,认为火星气候变暖与尘埃密切相关。火星表面大量颜色明亮的尘埃可以将太阳发出的光线和热量反射回宇宙空间,科学家称这一现象为“反照”,并将天体反射太阳辐射的比例称为反照率。

但是当火星表面红色尘埃被大风吹散到空中,同时经受暴雨洗刷后,就会失去反射太阳辐射的性能,即反照率降低。这时,火星吸收太阳辐射热量就会增多,表面温度也随之升高。

美国宇航局行星研究专家洛丽·芬顿对比分析了美国20世纪70年代“海盗1号”火星探测器发回的热量分光计测绘图像和90年代“火星环球勘测者”发回的类似图像。而后证实,过去30多年里,火星表面大片区域明亮程度发生了改变。

火星上暴风雨与反照率变化互为因果,芬顿形容这一因果现象为“正反馈”系统,换言之,这是一种“恶性循环”。

这一理论在地球上同样适用。当地球表面积雪覆盖的区域气温升高,冰雪融化,这一区域反照率就会降低,吸收太阳热量增多;而这一来又会导致气温更加升高。只有当这一区域再次降雪时,降温过程才会重新开始。

科学家说,除反照率因素之外,导致气候变暖因素还有很多。如地球变暧的主要原因是人类活动向大气中排放大量二氧化碳等温室气体,使气温升高。同时,一些自然原因也导致气候变暖加剧。如地球处于近地点和远地点时温度会产生差别,火山喷发和一些植物也会排放大量温室气体。

芬顿和其他研究人员在论文中写道:“我们的研究结果显示,火星表面反照率变化会影响近期气候和大范围天气情况。”他们认为,今后任何关于火星气候变化的研究都应将反照率作为一项重要因素来考察。

虽然研究得出了火星上暴风雨与反照率变化互为因果的结论,但是火星暴风雨的成因仍然是待解之谜。

火星表面积约2300万平方公里,按距离太阳由近及远的次序排在第4位,自转周期是24.62小时,公转周期是686.93日。火星大气主要成分是二氧化碳,表面平均反照率是地球的30多倍。

古老彗星尘埃现身

美国宇航局的“星尘”号从一颗彗星尘埃中带回了样本,科学家在其中发现了比太阳还要老的尘埃,这为探索太阳系起源的基础性问题提供了线索。

据英国《泰晤士报》报道,这些来自“维尔德2”号(Wild 2)的彗星尘埃样本是“星尘”号在2007年1月带回地球的。经过近一年的研究,科学家发现其中一颗仅有1微米宽并富含氧元素的尘埃年龄超过了太阳系。

由于这颗“原始尘埃”太小,科学家只能挑选其他较大的尘埃分析其矿物成分。结果,科学家从中发现了不少有机物和水的组成元素。科学家由此推论,太阳系早期比此前所认为的更加不稳定。一直以来的主流理论认为,太阳系行星具有不同组成成分是因为它们处在太阳系的不同位置,而不同位置所包含的矿物成分也不同;但现在这些彗星尘埃在一定程度上说明,太阳系各个区域的成分并非截然不同,而是有很大的重合和交叉。

科学家还发现尘埃样本中有10%的成分是在有热能的情况下才能形成的,这说明“维尔德2”号中的一部分在形成时所处的位置比现在要更靠近太阳,整个彗星的形成是分阶段的。

太阳系的形成开始于45.7亿年前,而“维尔德2”号彗星被认为出现在此后1000万年内。它曾长期孤独地游离于太阳系的边缘,直到受到木星的引力吸引才向太阳靠近了一点。由于长期在外围游荡,因此它的成分没有因太阳热能而改变,也没有受行星和小行星带脱落的碎片的影响,被认为是研究原始太阳系的最佳样本。

宇宙之地狱,雨水皆由铁构成

不久前,美国麻省理工学院的阿达姆·伯加瑟尔和华盛顿大学的卡塔琳娜·罗德斯宣称,褐矮星上的天气状况很可能是宇宙中最为恶劣的。

褐矮星常常被科学家们称为“失败的恒星”——体积非常小,还足以诱发热核聚变。自诞生之日起,这类天体便一直在缓慢地燃烧并逐渐变凉。

尽管如此,褐矮星上却并非一片沉寂。计算机模型(基于红外望远镜的观测数据构建)的演算显示,这类天体也拥有大气层,只不过它们主要由气态的铁和硅酸盐组成。

上述现象在那些表面温度高达2000K的年轻褐矮星上最为普遍。不过,随着温度逐渐降低,褐矮星上的云团也会不断凝聚并最终形成降雨,并且是真正的“铁雨”。

虽然通过平常的观测活动并不能发现褐矮星上的金属云团,但科学家们还是成功找到了一些猛烈风暴的踪迹。除此之外,他们还查明,褐矮星的亮度主要取决于其上的云团数量和天气情况。

阿达姆·伯加瑟尔介绍称,褐矮星上云团与天气之间的联系还无法最终确定。但有人认为,气候的变化会导致云层被逐渐破坏。

由于方法上的限制,目前科学家们还无法对褐矮星上的天气状况进行更为详细的研究,例如那里发生风暴时的景象如何。不过,阿达姆·伯加瑟尔认为,再过10~15年,人们将有望掌握对褐矮星表面进行观测的技术。

火星南极存在超大冰湖

一个国际性研究小组日前宣布,在火星南极地区存在着一座巨大的冰湖——如果其全部融化,那么整个火星表面将被厚达11米的水层所覆盖。

领导此次研究的美国宇航局喷气推进实验室科学家杰弗里·普洛特介绍说,“火星快车”号自动探测器传回的最新数据显示,火星南极地区冰湖的厚度达到了3.7公里。

就成分来说,火星冰湖至少有90%以上由凝结的水组成。目前,普洛特和其同事们正在对近几个月来搜集到的火星北极数据进行分析。根据初步的评估,火星北极区域蕴含的冰层数量丝毫不亚于南极地区。

据悉,火星两极的巨大冰湖均隐藏在红色的沙土之下,最早是由美国的“奥德赛”探测器在2002年5月发现的。而2003年底飞抵火星轨道的“火星快车”号探测器则帮助科学家们确定了冰层的体积,同时还尝试着寻找液态水的痕迹。

普洛特表示,在火星南极那些已被冻结的水中,可能只有大约10%曾覆盖在火星表面。

他指出:“我们始终面临着一个问题:其他的水到底在哪里?”普洛特猜测,在火星表面下的天然水库中可能还储存有丰富的水。

除此之外,据早前公布的消息,在火星大气中还存在有少量的甲烷气体,而它们很可能是微生物活动的产物。科学家们认为,火星曾经也是一颗与地球一样的富有生命力的行星,在其表面也曾分布有海洋、河流、活火山——其中也包括太阳系中最高的奥林匹斯火山(高度超过22公里,火山口深度达3公里)。

科学家们指出,“火星快车”号探测器取得了空前重要的成果,借助它传回的数据,专家们绘制出了火星表面的高分辨率三维图像,这将有助于今后宇航员登陆火星。

遥远行星,温暖怪异却无水

据国外媒体报道,科学家迄今已确定210余颗太阳系外行星,然而,在对狐狸座和天马座的两颗行星进行的研究中,发现这两颗行星大气中没有水分存在。这不仅严重背离科学家之前的推断,也对天文学基本假设提出了重大质疑。

美国宇航局的斯皮策太空望远镜日前发回了远在太阳系之外的两颗行星的图像资料。这些资料是迄今为止人们得到的对它们最清晰的拍照。他们所采用的技术,是对这两颗行星的红外区光线进行光谱分析,以确定它们外层气体的组成成分。但是,他们并没有从中找到水存在的证据。

这两颗行星与太阳系的木星类似,体形巨大,外层被厚厚的气体所包裹。它们是天马座的HD209458b号行星和狐狸座的HD189733b号行星,分别距地球153光年和62光年,表面温度都有850多摄氏度,被人们称作“热木星”。

理论学家认为,气态或液态水必然存在于行星大气中。这两颗行星距离各自的恒星都很近,它们的恒星存在大量氢、氧元素,而这两种元素是水分子的组成成分,因此科学家一度推测,在包裹这两个行星的大气中存在气态水。但根据斯皮策太空望远镜传回的最新资料,科学家们在包裹其中一颗行星的气体中,发现了很小的、像沙粒一样的硅,这意味着包裹这颗行星的气体,与太阳系所有行星外层的气体组成都不一样,它是一层厚厚的、充满灰尘的气层。研究人员原本还预计在这些气层里可以发现甲烷和二氧化碳,但事实上也没有发现。不过,科学家们也表示,水还是可能存在于这些气层当中的,可能是由于气层太厚,以当前的研究手段,人们无法发现它们。

科学家认为,本次外星观测给了人们一个启示,也许我们应该摒弃外星探测中以地球模式为中心的研究方式。卡内基学会天文学家阿兰·博斯说:“NASA在寻求地球外生命的过程中奉行着顺水追寻的金科玉律。”格雷梅尔也说,行星大气无水的发现让人警醒,科学家显然需要做更多工作。

土卫六上有海洋

科学家最近发现,在土星的第二大卫星——土卫六的表面存在众多大小不等的海洋,其中一个海洋的面积与美国蒙大拿州的面积相差无几。不过,科学家表示,这些海洋里的液态物质不是水,而可能是甲烷或者乙烷。

长期以来,科学家们认为,在土卫六主要由氮气组成的大气层中存在着甲烷以及其他化合物质,因此土卫六表面可能存在由碳氢化合物组成的海洋。但直到最近,卡西尼号太空飞船才捕捉到土卫六存在许多海洋的画面。

土卫六上发现海洋美国宇航局卡西尼号项目小组的报告说,卡西尼号太空飞船的雷达设备在土卫六北极附近拍摄到了几处深黑色海洋区域,其中最大的一片面积至少有10万万疗公里。科学家们说,雷达探测到的还只是这些深黑色区域的一部分,因此目前还只能推断出它们的最小面积。

通过雷达合成影像,科学家发现,在土卫六的北极地区至少存在两个海洋。在卡西尼号太空飞船发回的照片中,研究人员发现土卫六北极附近存在着一个长度达1100公里、面积与美国蒙大拿州或者亚洲的里海相近的海洋区域。研究人员认为这里可能存在液态的甲烷或者乙烷,因为其周围的平均温度只有-180℃,足以冻结多数气体物质。然而,科学家并不能确定是否整个海洋都由这些液体组成。卡西尼飞船上的可见光和红外测绘仪器也捕捉到了这片海洋区域,项目科学家小组正在利用仪器的观测数据,分析其中所含物质的成分。

美国加州理工学院的天文物理学家乔纳森·路宁表示,目前还无法界定这些海洋或者湖泊到底由哪些物质组成,但与月球上发现的类似地貌相比,这一发现更具意义。

太阳系外行星奇特温度,半似烈火半如冰

天文学家利用美国宇航局的斯皮策太空望远镜测量出了太阳系外一行星表面大气的温度,该行星为一颗类似于木星的气体大行星,它极其靠近所围绕的恒星,并在这一轨道上做每4.6天绕行一周的圆周运动。最为奇特的是,该行星面向恒星的一面灼热似火,而背向恒星的一面却冷如冰霜。

过去,人们对太阳系行星的测量仅限于其大小和质量,由加利福尼亚大学布拉德一汉森负责的本次测量结果表示,科学家已首次获得了太阳系外行星的温度。美国宇航局喷气推进实验室斯皮策太空望远镜工程专家迈克尔一沃纳表示:“这是一个让人瞩目的成果。数年前在设计斯皮策太空望远镜时,我们并没有预期到它会引起太阳系外行星科学研究的变革。”

科学家相信,同月球围绕地球运动一样,他们观测到的这颗行星自转很慢,面向恒星的半球始终保持不变。然而,由于它是由气体构成的,因此它的外大气层循环要比内部快许多。根据观测,天文学家认为,该行星两半球的温差巨大,大约为2550华氏度。如此大的温差说明,行星的大气对恒星阳光吸收和散发极快,以至于周围的气体冷却也相当迅速。

科学家观测到的这颗行星是1996年首次被发现的。它一直围绕着安德蒙大星座中的一颗恒星运转,距地球大约有40光年距离,在晴朗的夜间,人们用裸眼便可观察到它。除了这颗行星外,还有两颗行星在较远处围绕该恒星转动。

木星现大规模绚丽极光

据国外媒体报道,美国的“钱德拉”X射线望远镜日前观测到了木星极地地区所发出的绚丽光辉。

科学家们指出,这一出现在木星上的极光无论是在规模上,还是在强度上都超过地球上同类现象的数百倍之多。需要提醒的是,美国的“旅行者-1”号探测器在1979时首次观测到了木星两极出现的极光现象。

“钱德拉”X射线望远镜是美国宇航局大型天文台网络的一个组成部分,与其协同工作的还有“哈勃”、“斯皮策”和“康普顿”等著名的空间观测系统。借助“钱德拉”,全世界的科学家们获得了大批独一无二的太空X射线照片,该望远镜有助于人们更好地了解宇宙的结构。

美国天文学家宣布,NASA于2006年发射的“新视野”号探测器已飞抵木星轨道,它将联合“钱德拉”,向科学家们提供有关木星的最新数据和演化过程。

根据目前流行的理论,木星极光现象是高能带电粒子在沿木星磁力线到达木星极地区域上空,与木星大气层上方等离子气体发生作用的产物。总体上说来,木星极光的产生机理与地球南北两极发生的极光现象基本相同。

不过,在木星的极光中仍隐藏着许多谜团。这其中最为引人瞩目的是,有科学家猜测木星的卫星也会对极光现象产生影响。部分专家认为,一些在木星卫星上的火山活动中喷发出的带电气体会进入木星大气层并对木星极光现象的出现产生影响。

中子星也会发生“地震”

天文学家利用一些X射线卫星获得的资料发现一颗磁星正处于强烈的运动状态。

磁星是具有极其强大的磁场的一种中子星,它们是一些极其致密的天体(体积与山峦相当,但质量与太阳差不多),其磁场强度要比地球强大好几百亿倍。这些强大的磁场的衰减会产生十分强烈的辐射喷发,通常是以X射线或是γ射线的形式表现出来。

出现这种神奇效果的天体,通常就是我们所知道的像磁星这样很难寻觅得到的中子星。

研究人员对位于南半球天坛座大约15000光年的星团内的一颗磁星的奇特状况进行描述。这颗磁星有着复杂的正式名称CXOU J164710.2-455216,但人们更多用的是它的非正式名称Westerlund 1 magnetar。

加利福尼亚州理工学院空间辐射实验室的一名科学家迈克尔·穆诺于2005年首次发现了这颗磁星。

2005年9月,这一目标发生的一次爆发恰好被许多颗卫星观测到,其中包括欧洲航天局的X射线卫星、“XMM-牛顿”卫星和美国宇航局雨燕X射线和γ-射线天文台。仅仅在这次爆发五天以前,穆诺和他的合作者还在利用“XMM-牛顿”卫星观察这颗磁星并且发现它处于相对平静的状态,这和他最初发现它时一样。像大部分的磁星一样,它产生一道X射线,就像从灯塔上发生的灯光一样,每十秒钟扫过地球一次,这提供了精确计算其旋转速率的机会。这次爆发也导致这颗磁星亮度超过一百倍,并产生三束单独的光束扫过地球,之前那里只有唯一的一束光线存在,并且其转速加速了大约千分之一秒钟。

穆诺说,它的成分依旧是一个谜团。然而,通过新的理论提出合理的猜测来理解其他的中子星是可能的。这颗中子星内部的磁场大概是内扭曲的,在某种意义上,这有点类似于地球上的板块构造,磁场向外壳加着压力。外壳将阻止压力一段时间,但是最终将会出现断裂,并产生地震波。这种断面将致使这颗磁星的表面更加明亮。同时,有理由认为,这颗中子星的内部是液体,可能比外壳旋转得更快。

穆诺补充说出了这次观测十分重要的两个理由:“第一,我们现在具有了解这些特殊的天体随着它们的年龄增长其内场逐渐损耗的另一个途径。第二,这一事件只是个新发现,因为我们的一组科学家正集中关注这一新发现的天体。在我们发现这种磁星仅仅一年之后就发现了这一事实,这暗示着在我们的星系中可能有更多的这种天体。”

自转最快中子星

欧洲空间局的科学家最近宣布,他们借助强大的“Integral”天文望远镜,发现了迄今转速最快的中子星,它每秒旋转1122圈,比地球自转快1亿倍。

最先观测到这颗星的西班牙天文学家库克勒说,早在1999年他便已发现了这颗代号为儿739-285的中子星,但不久前才通过望远镜算出它的转速。

这颗中子星的直径约10公里,但质量却与太阳相近,其密度惊人,高达每立方厘米1亿吨。其巨大引力使它从临近恒星不断夺取大量炙热气体,并不断诱发热核爆炸。

天文学家正是通过这种现象发现了它。此前的中子星自转纪录是每秒716圈,恒星转速一般在每秒270~715圈。700圈曾被认为是天体旋转极限,按目前的物理学理论,转速超过此极限,恒星将被强大离心力摧毁或化为黑洞。但最新发现否定了这一看法。

理论上,每秒1122转并不是旋转极限,大型中子星转速有可能高达3000转。令天文学家困惑的是,为什么天体在高速旋转的强大离心力下,依然会不断收缩,而且不损失自身物质。

恐怖“杀手”毁灭美丽天体

据国外媒体报道,借助功率强大的斯皮策空间望远镜,天文学家们日前发现了一次猛烈的超新星爆炸。与以往观测到的类似现象不同的是,此次超新星爆炸发生在“创造之柱”的附近。所谓的“创造之柱”位于天鹰座,于1995年被哈勃望远镜首次发现,其外表呈圆柱形,主要由寒冷的氢原子和灰尘组成。

在斯皮策拍摄到的最新照片中,“创造之柱”的附近充满了由炙热物质组成的巨大云团——它们正是一颗巨型超新星爆炸的产物。据科学家们计算,这颗超新星爆炸的时间大约在8000~9000年前,而其产牛的冲击波大约在6000年前破坏了“创造之柱”的结构。不过,由于天鹰座距离地球有大约7000光年之遥远,因此我们要在1000年之后才能看到超新星爆炸产生的光芒。

其实此前也曾有科学家发表过“创造之柱”已被超新星爆炸所摧毁的观点。他们的主要依据是:在该区域分布着20余颗巨型恒星,而它们的最终归宿都是一场猛烈的超新星爆炸。天文学家们认为,在一两千年前的古代天文文献中,应该能找到在天鹰座曾出现异常明亮天体(即超新星爆炸)的记录。

据悉,“创造之柱”周围的炙热云团最早由EKA红外空间望远镜发现,但斯皮策上的远红外观测设备最终确定了这些云团的成因。科学家们表示,从摧毁“创造之柱”的尘埃中将会逐渐形成新的恒星,而“创造之柱”本身也将成为新星体的“产房”。不过,由于“创造之柱”中大部分区域的密度都比较小,根本无法抵御即将到来的冲击波的袭击,因此千年之后,人们将再也看不到它曾经呈现出的绚丽景象。