宇宙上还有能生存人类的星球吗?
搜寻行星搜寻生命
21:09:50 jskx
远离扰乱视线的城市灯火、眩目光辉和黄色烟雾,夏威夷岛上海拔4205米的冒纳凯阿火山的顶峰直插云霄.因为夏威夷岛被温度变化非常稳定的海洋所包围,所以冒纳凯阿火山的顶峰得以沐浴在清洁、平静、干燥的空气中.对于天文学观测来说这是一个十分理想的环境——至少有一打世界上最好的望远镜架设在这里.
其中特别重要的是WM凯克观测台,它由两台安装了直径达10米的巨大反射镜的天文望远镜组成,其中每台都有8层楼高、300吨重.这两台分别于年安装完成的凯克望远镜一直在帮助主要的行星搜寻者——加利福尼亚大学的保罗巴特勒和卡内基学会的杰弗里马西探测太阳系外行星.
在过去的几年里科学家发现了上百颗围绕着遥远的恒星旋转的太阳系外行星,其中不少是巴特勒和马西发现的.这些太阳系外行星中的大多数是像木星一样被气体包围着的巨大行星,它们的运行轨道与其中心恒星的距离非常近,而且这些行星太大、太热,就我们所知,任何生命形态都无法在这样的行星上维持生存.但是日,巴特勒和马西报告说他们发现了两颗体积比土星还小的行星——这是朝着发现像地球一样适于居住的太阳系外行星迈出的重要一步.
新的科学领域
这两位行星搜寻者的努力已经使人们对于地外生命存在的可能性产生了很强的信心,以至于一个全新的科学领域,天体生物学——研究宇宙生命的科学——迅速发展了起来.
因此,这两位行星搜寻者不仅在天文学界享有很高的声望,而且任何对于“地球是不是宇宙中唯一有生命存在的星球,或者宇宙中是否有其他的生存形式存在?”这样的问题感兴趣的人都知道他们的鼎鼎大名.凭借自己丰富的想像力和不辞辛劳的工作,他们找到了一种方法来确定有可能产生生命的行星的位置,从而将上面提到的这个问题从人们的推测变成了科学.他们的努力已经使人们对于地外生命存在的可能性产生了很强的信心,以至于一个全新的科学领域天体生物学——研究宇宙生命的科学——迅速发展了起来.
目前,科学家还无法对太阳系外行星进行直接搜寻.恒星发出的光芒使科学家不可能看到任何也许正在围绕它们旋转的天体.巴特勒和马西发明了一种极具独创性的方法：多普勒技术.这种方法的工作原理与多普勒效应(当汽车或火车从你身边经过时它们发出的声波听起来好像一直都在改变频率)的原理一样.
多普勒效应在天文学上的对应现象被称为红移.从1987年开始,巴特勒和马西花了8年时间全力研究红移现象.他们认为,如果一颗恒星周围存在着一颗围绕它旋转的行星,那么这颗行星的引力就会使恒星出现轻微的“摇摆”,就像地球和太阳系中的其他行星使太阳发生摇摆一样.这种摇摆会使恒星的光波在恒星朝向地球和背离地球的摇摆运动过程中在光谱的蓝端与红端之间交替运动.他们认为,如果你可以测量到这种红移一蓝移现象,那么你就可以发现太阳系外行星的存在,而且利用这些数据你甚至可以分析出它们的质量和运行轨道.
但是,这种红移一蓝移现象在穿过遥远的宇宙空间之后会变得非常微小——如果你从30光年以外的地方观察太阳,它的周期性摇摆的弧形角的大小将只有七百万分之一度.为了利用多普勒方法对恒星及其行星进行准确的分析,你必须使恒星摇摆速度的测量结果精确到10米／秒以内.
马西和巴特勒是在日发现第一颗太阳系外行星的.那时马西已经回到他加利福尼亚伯克利的家中,和他的妻子一起准备新年前夜的聚会.巴特勒还在办公室凝视着计算机屏幕上显示的看起来好像是一些随机数据点的东西.他正在寻找一种可以告诉自己他们已经取得了成功的数据点模式——一条将所有的数据点连接到一起的蛇形曲线,就像心脏监护示波器上显示的心跳曲线一样.只有这样的曲线才可以证明他们正在寻找的摇摆,进而证明太阳系外行星的存在.
其他行星系
太阳系外行星使天文学界感到震惊,并且动摇了所有现存理论的主要原因是它们的运行轨道都呈现出非常明显的椭圆形. 当计算机软件显示出这样一条曲线时,屏幕上的每个数据点都正好位于这条曲线上或者与这条曲线非常接近.计算机屏幕上没有一个远离这条曲线的数据点.这正是巴特勒和马西8年来一直在梦想能够找到的数据点模式.
太阳系的大多数行星都在沿着近似于圆形的轨道运动,当你考虑到行星很可能是在圆形的原行星气体、冰和尘埃组成的盘状物(就像我们在猎户座星云中看到的圆盘一样)中形成的时候,你就会觉得行星沿着圆形的轨道运动是很有道理的.那么太阳系外行星的运行轨道为什么会呈现出明显的椭圆形呢?
巴特勒和马西指出,解释这一现象的最佳线索来自彗星.彗星形成时的运行轨道是圆形的,但是如果它们从距离行星很近的地方经过,彗星的运行轨道就会在引力的作用下迅速变成非常明显的椭圆形——这就是为什么我们很少在内太阳系看到它们的原因.
这一理论还可以解释为什么科学家目前发现的太阳系外行星中有许多是被气体包围的巨大行星,而且它们的运行轨道与其中心恒星的距离近得令人难以置信.任何体积与地球相当的行星如果与其中心恒星过于接近都很有可能被其强大的引力甩出该行星系.
巴特勒和马西指出：“我们的银河系中一定存在着数以万亿计、体积与地球相当而且正在四处闲逛的行星——它们是一些毫无目的在星际空间中游荡的阴暗的巨型岩石.”他们得出结论认为,太阳系可能是一个比较少见的行星有序排列的例子,九大行星静静地溜到各自的圆形轨道上,而且在这一过程中奇迹般地避免了任何形式的碰撞.
但是,天体生物学家们并不希望听到太阳系可能是一个反常的完美特例的说法.运行轨道呈现明显的椭圆形的行星不可能成为生命的避风港——行星与其中心恒星距离的变化引起的巨大温度波动会敲响代表死亡的丧钟,甚至连最顽强的生物化学分子也无法幸免.同样,这些巨大的被气体包围的行星的运行轨道与其中心恒星的距离如此之近,以至于在某些情况下它们的公转周期只有3天,而1500℃的表面温度对于任何生命来说都实在是太高了.
但是这并不等于说地外生命存在的希望已经完全破灭.为什么只有一些巨大的行星在与其中心恒星距离非常近的轨道上运行?到目前为止,科学家们已经发现这可能只是因为它们是最容易发现的行星.
这就是为什么人们对于巴特勒和马西发现的两颗比土星还小、围绕鲸鱼座79(也被称为HD16141)和HD46375(这两颗恒星与地球的距离均为大约110光年)运行的行星会感到如此兴奋的原因.
寻找“金发女郎”
科学家发现适合生命生活的理想行星(被称为“金发女郎”行星)以及最终确定地球生命是否是宇宙中唯一的生命形态只是个时间问题.
尽管巴特勒和马西认为有许多行星被其所在的行星系甩了出来,但是他们对于适合生命生活的理想行星(被称为“金发女郎”行星)的存在仍然充满了信心.巴特勒指出：“银河系中的2000亿颗恒星中大约有10％拥有巨大的、很容易发现的行星.看起来很有可能其余恒星中的大多数周围也有行星存在,但是我们目前还没有掌握探测这些行星的技术.”
在这些统计数字的鼓舞下,美国航天局现在对天体生物学事业充满了信心,以至于它已经建立了一个被称为“起源”的大型研究计划,该计划在未来的20年时间里将把更为精密复杂的天文望远镜送入太空,以便对那些拥有适当的条件、可以维持生命存在的行星直接观测.
科学家对于生命存在到底需要哪些条件仍然争论不休.因为目前我们对于可以维持生命存在的行星只掌握着唯一的一个例子——我们自己的地球——所以我们几乎没有办法知道答案.巴特勒指出：“(宇宙其他地方的)生命很可能必须建立在碳和水的基础上.不然的话,我们所有的推测就都会失去依据.”因此,一颗“金发女郎”行星的运行轨道必须是圆形的,而且它与其中心恒星的距离应该为大约一个天文单位,这颗行星的表面温度必须使水可以以液态形式存在.
哥白尼、牛顿和开普勒等天文学家通过计算行星围绕太阳运动的规律改变了我们对于自己在宇宙中位置的看法.而这些行星搜寻者通过发现宇宙中其他的行星正在造成同样的影响.他们发现类似地球的天体以及我们最终确定地球生命是否是宇宙中唯一的生命形态只是个时间问题.满意请采纳
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暗能量什么叫暗能量?它是一种不可见的、能推动宇宙运动的能量,宇宙中所有的恒星和行星的运动皆是由暗能量来推动的.之所以暗能量具有如此大的力量,是因为它在宇宙的结构中约占73%,占绝对统治地位.暗能量是近年宇宙学研究的一个里程碑性的重大成果.支持暗能量的主要证据有两个.一是对遥远的超新星所进行的大量观测表明,宇宙在加速膨胀.按照爱因斯坦引力场方程,加速膨胀的现象推论出宇宙中存在着压强为负的"暗能量".另一个证据来自于近年对微波背景辐射的研究精确地测量出宇宙中物质的总密度.我们知道所有的普通物质与暗物质加起来大约只占其1/3左右,所以仍有约2/3的短缺.这一短缺的物质称为暗能量,其基本特征是具有负压,在宇宙空间中几乎均匀分布或完全不结团.最近WMAP数据显示,暗能量在宇宙中占总物质的73％.值得注意的是,对于通常的能量（辐射）、重子和冷暗物质,压强都是非负的,所以必定存在着一种未知的负压物质主导今天的宇宙.宇宙的运动都是旋涡型的,所以暗能量总是以一种旋涡运动的形式出现.所以,在暗能量的旋转范围内能形成一种旋涡场,我们称之为暗能量旋涡场,简称为旋涡场.我们用En来表示太阳系的暗能量,用Ep来表示物质绕太阳系中心运动的总动能.当En=Ep时,太阳系旋涡场处于平衡状态,它既不会膨胀也不会收缩.但当En衰退时,太阳系旋涡场就会收缩,太阳系中所有的行星就会向太阳靠近.
要提及暗能量,我们不得不先提及另外一个和它密切相关的概念——暗物质,之所以将其称之为暗物质而不是物质就是因为它与一般的普通物质有着根本性的区别.普通物质就是那些在一般情况下能用眼睛或借助工具看的见、摸得着的东西,小到原子、大到宇宙星体,近到身边的各种物体远到宇宙深处的各种星系.普通物质总是能与光或者部分波发生相互作用或者在一定的条件下自身就能发光、或者折射光线,从而被人们可以感知、看见、摸到或者借助仪器可以测量得到,但是暗物质恰恰相反,它根本不与光发生作用更不会发光,因为不发光又与光不发生任何作用,所以不会反射、折散或散射光即对各种波和光它们都是百分之百的透明体!所以在天文上用光的手段绝对看不到暗物质,不管是电磁波、无线电还是红外射线、伽马射线、X射线这些统统都毫无用处,故尔不被人们的感知所感觉也不被目前的仪器所观测,故此为了区分普通物质和这种特殊的物质而将这种特殊的物质称之为“暗物质”.
“暗能量”相比较暗物质更是奇特的有过之而不及,因为它只有物质的作用效应而不具备物质的基本特征,所以都称不上物质故尔将其称之为“暗能量”,“暗能量”虽然也不被人们所感觉也不被目前各种仪器所观测,但是人们凭借理性思维可以预测并感知到它的确存在.
特别是近几年来,由于微波背景辐射的细致观测(WMAP的精密数据,Supernovae Ia的数据),呈现以下一些惊人的观测结果和数据：
a) 宇宙年龄是137±2亿年b) 哈勃常数是0.71±公里/秒/Mp cc) 宇宙呈现以下结构,宇宙总质量(100%)≌重子+轻子(4.4%)+热暗物质(≤2%)+冷暗物质(≈20%)+暗能量(73%),而总密度Ω0=1.02±0.02,亦即恰好差不多等同于平直空间所要求的临界密度.（这个公式的意思是,在整个宇宙中我们目前所看到的星系只占整个宇宙的约 4%左右,其余约96%的物质都是我们看不见、不了解的东西.）d) “暗能量”将呈现一些前所未有的一些全新的性质：
物质的状态方程由P=Wρn所表示,(其中P是压力,ρ是密度,W是某一常数,n是某一数值),普通物质W≥0,P≥0,ρ≥0,这就意味着物质所产生的压力表现为正数、正值.
而暗能量的状态方程中的却是,W = -1.这则意味着“暗能量”的压力是负数、负值,压力是正值时就是我们所长说的“压力概念”,这很好理解,物质的密度越大压力则越大,而负值的压力就不是通常所说的压力了,而是人们常说的“吸力”更为关键的是这种负压力P却“负”得很大,大的让人不敢想象?!
这究竟是什么样的物质为什么会呈现这样的特质?这会不会是一种人类尚没有发现、更不曾知道的、全新的物质形态?有人寓言,这种新的物质形态的一经出现和被发现必将导致物理学理论的新的大突破和新的革命!
关于暗能量概念的起源,我们还得追溯到科学巨匠爱因斯坦他在1915年的相对论中提出一组引力方程式,方程式的结果都预示着宇宙是在做永恒的运动,这个结果与爱因斯坦的宇宙是静止的观点相违背,为了使这个结果能预示宇宙是呈静止状态爱因斯坦又给方程式引入了一个项,这个项就是现在人们称之为的 “宇宙常数”.
1997年12月,作为“大红移超新星搜索小组”的成员的哈佛大学天文学家罗伯特·基尔希纳根据超新星的变化显示,宇宙膨胀速度非但没有在自身重力下变慢反而在一种看不见的、无人能解释的、神秘力量的控制、推动下变快,问题是无人知道这个神秘力量是什么?更无人知道为什么是变快而不是变慢?这是出于什么原因?它是如何发生的?关于这种力量及其载体至今无人能知晓,人们只是猜测：我们现在所处的这个宇宙可能处于一种目前人类还不了解、还未认识到的继目前物质的固态、液态、气态、“场态”之后另一种物质状态的物质控制、作用之下,这种物质不同于普通物质的一切属性及其存在和作用机制,这种“物质”因其绝对不同于人们所熟知的普通物质态,故尔科学家为了区分它们暂且将它称之为“暗物质”、将其具备的作用称之为“暗能量”,“暗物质”、“暗物质”就成为当今天文学界、宇宙学界和物理学界等等科学界中最大的谜团之一.
后来人们经过哈勃空间望远镜观测发现,事实上宇宙是在不断膨胀着的并且这一观测结果完全与引入“宇宙常数”之前的引力方程的计算结果相符合,爱因斯坦得知“实际上的宇宙是在膨胀着的”这个消息后非常后悔,因此他认为：“引入宇宙常数是我这一生所犯的最大错误!”此后那个“宇宙常数”便被人们所遗忘,后来的一次天文探测表示那个宇宙常数不但不等于零而且趋向无穷大,这就预示着宇宙中存在着某种“巨大的东西”,此后这个“宇宙常数”被赋予“暗能量” 的含义.近年来的科学家们一再通过各种的观测和计算证实,暗能量在宇宙中的确约占到73％暗物质约占到23％普通物质仅占到4％,这可是一个惊人的数字和消息,这将预示着我们现在看到的宇宙、认识到的宇宙只占整个宇宙的4%的比例,而占96%(57年诺贝尔奖得主李政道先生甚至还认为是99%以上)的东西竟然是不为我们所知道的.关于暗物质和暗能量的客观存在性57年诺贝尔奖得主李政道先生在他所著的《物理学的挑战》中已经详细而全面的论证了在这里限于篇幅,我不在作论述.
在新世纪之初美国国家研究委员会发布一份题为《建立夸克与宇宙的联系：新世纪11大科学问题》的研究报告,科学家们在报告中认为,暗物质和暗能量应该是未来几十年天文学研究的重中之重,“暗物质”的本质问题和“暗能量”的性质问题在报告所列出的11个大问题中分列为第一、第二位.
美国航天局在轨道中运行的威尔金森微波仪探测卫星收集到的材料也证明超新星在发生同样的变化.这些变化的含义的确令科学家忐忑不安,因为这将预示着爱因斯坦、霍金等理论家可能都错了,影响并决定整个宇宙的力量不是引力和重力等已知作用力,而是以“宇宙常量”形式存在的“暗能量”和“暗物质”.
所以有人认为,暗能量在宇宙中更像是一种背景和一种“超导体”,它就像是空气相对于人类或者是大海相对于鱼儿一样,故尔在宇宙物理学上它的确表现得更像一个真空,因此也有人把“暗能量”称之为“真空能”.真空是不是就是“暗能量”?“暗能量”是不是就是“真空能”呢?如果真空真是“暗能量”那么就应该具备一切能量的基本属性和基本特征——力量.可见真空是否具备力的特征和力的属性也就成为“暗能量”成为真空的前提条件.
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众所周知,物理学其本身就是一门以实验为基础的科学,从伽利略的比萨斜塔实验到迈克耳逊——莫雷实验,再到目前高科技下的各种高能物理粒子实验无不说明实验方法在物理学中占据着非常重要的地位并发挥着重要的作用.每一个新理论的背后都必须有着坚实的实验作为后盾,每一个新实验现象的出现也必将引发一套全新的理论体系,所以实验是寻找并证实真空力的属性的主要方法和途径.
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提问者评价
太给力了，你的回答完美地解决了我的问题，非常感谢！
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为什么太阳系的所有行星基本都在一个平面内？
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可以这么粗略的讲讲：恒星A，行星a，bm_A&&m_a, m_b，A可以看做不动。如果只是恒星A与行星a（或b），a的运动轨迹是一个平面。现在把a，b放在一起，如果a，b运动轨迹在两个不同平面上，a，b间的引力会使他们互相靠近，他们的运动轨迹无法保持在两个平面上，不稳定；但当a，b轨迹在同一平面上，他们之间的引力也在该平面上，不会出现之前那种运动轨迹在两个平面间来回振荡的情况，是稳定的。换句话说只要a，b的运动轨迹共面了a，b就不会自发的偏离该平面
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