“古代天文學(xué)，以天體測量為主，主要研究天體在空間的位置及其運動；至牛頓時代，牛頓創(chuàng)立牛頓力學(xué)，使天文學(xué)出現(xiàn)了一個新的分支——天體力學(xué)，這是天文學(xué)發(fā)展歷史上的一個巨大飛躍；以愛因斯坦提出廣義相對論為標(biāo)志，天體物理學(xué)自此誕生并一躍成為天文學(xué)研究的主流……”

　　“2009國際天文年”來臨之際，中國天文學(xué)會理事長、中科院國家天文臺副臺長趙剛博士，就現(xiàn)代天文學(xué)前沿?zé)狳c問題，應(yīng)邀接受本報記者采訪。

　　本世紀(jì)天文學(xué)“兩朵烏云”：暗物質(zhì)與暗能量

　　上個世紀(jì)30年代，諾貝爾獎獲得者密立根，曾致力于將位于美國加利福尼亞州南部城市帕薩迪納的加州理工學(xué)院，建成世界一流的研究機構(gòu)。他聘用的第一位從事天體物理研究的學(xué)者，是瑞士籍科學(xué)家弗里茲·茲威基。1934年，茲威基研究了星系團內(nèi)星系的運動，首次提出暗物質(zhì)存在的可能性。

　　星系在宇宙中有一種成團傾向，彼此之間有引力聯(lián)系，由其構(gòu)成的體系稱為星系群；若受引力束縛在一起的星系群不止幾十個，而是幾百個、上千個、幾千個，那么就稱為星系團。星系團中成百上千的星系，因被自身引力束縛，運動速度與引力必須達成平衡才不致出軌；而且引力越強，運動速度越快。然而，茲威基發(fā)現(xiàn)，星系團內(nèi)星系遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以產(chǎn)生如此大的引力，一定還存在人類看不見的其他物質(zhì)，他稱之為暗物質(zhì)。

　　暗物質(zhì)存在的直觀證據(jù)，是引力透鏡現(xiàn)象：當(dāng)遙遠(yuǎn)星系發(fā)出的光途經(jīng)某個星系團附近時，光線就會因星系團引力偏折，這時的星系團就好似一個透鏡，朝這個方向望去就會看到巨大的光弧甚至同一個星系的幾個不同鏡像。

　　1990年，美國航天飛機將哈勃太空望遠(yuǎn)鏡送上太空。根據(jù)哈勃望遠(yuǎn)鏡獲取的觀測資料，人們計算出宇宙年齡大約為120億年～140億年；然而天文學(xué)家已知有些古老的球狀星團，它們的年齡約為140億年～160億年左右。這便顯現(xiàn)出一種矛盾，即宇宙年齡居然比某些球狀星團年齡小。

　　后來，一個意外發(fā)現(xiàn)震動了科學(xué)界。天文學(xué)家稱為Ia型的超新星，因其爆炸時發(fā)出光的亮度是固定的，故可作為一個標(biāo)準(zhǔn)燭光。知道了標(biāo)準(zhǔn)燭光，再用望遠(yuǎn)鏡觀測其亮度，就可確定其距離。十幾年前，由利斯等人和帕爾莫特等人組成的兩個獨立天文研究小組幾乎同時宣布：利用Ia型超新星作標(biāo)準(zhǔn)燭光，他們發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹。此前，幾乎所有人都認(rèn)為宇宙膨脹一定是減速的，因為萬有引力對膨脹只起減速作用。

　　宇宙加速膨脹這一發(fā)現(xiàn)表明：宇宙年齡比人們原來想象的要長，而且其中要么存在斥力，要么存在科學(xué)家稱之為暗能量的負(fù)壓強。

　　“了解暗物質(zhì)和暗能量，是21世紀(jì)科學(xué)史的大挑戰(zhàn)。”2008年10月12日，“隆重紀(jì)念望遠(yuǎn)鏡發(fā)明400周年——科學(xué)大師演講會”在北京人民大會堂舉行，1957年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者、美國哥倫比亞大學(xué)教授李政道在演講中提出上述觀點。他指出：“宇宙總能量約5%是已知物質(zhì)的能量；約25%是暗物質(zhì)的能量，約70%是暗能量。但什么是暗物質(zhì)、暗能量，我們不知道。”

　　本世紀(jì)一項方興未艾探索：地外智慧生命

　　火星被認(rèn)為是太陽系中最有可能存在地外生命的行星。

　　早在19世紀(jì)末，“火星運河”的“發(fā)現(xiàn)”曾熱遍全球。人們推測，火星上既然有人工運河，就一定會有火星人。此后于20世紀(jì)初掀起的認(rèn)識火星人的熱潮，便不曾中斷。

　　火星具有與地球非常相近的特征：公轉(zhuǎn)周期只有1.9回歸年，同地球相差不大；自轉(zhuǎn)周期即一天的變化同地球幾乎相同：只比地球長140分鐘，近2.5小時；火星劃分5個帶：中間的熱帶，溫度在20攝氏度～80攝氏度左右，南北的溫帶以及兩端的極冠。

　　火星上是否真曾存在生命？

　　1975年8月20日和同年9月9日，美國航空航天局先后發(fā)射兩艘無人飛船海盜一號、海盜二號，在火星表面開展3項尋找生命實驗即放射性同位素示蹤、光合作用和呼吸作用生物學(xué)實驗。3個實驗均未找到生命存在證據(jù)。然而，人類仍然懷有兩種希望：如果火星現(xiàn)在沒有生命，是否在很久以前曾有生命存在；現(xiàn)在火星上或許存在一些低級生命，只是對人類精心設(shè)計的實驗沒有反應(yīng)。

　　太陽系中大行星即木星、土星及天王星、海王星又呈現(xiàn)何種狀態(tài)？

　　從現(xiàn)今探索結(jié)果看，這些大行星的大氣主要由液態(tài)的甲烷、氫和氨構(gòu)成，其存在生命的可能性非常小。

　　太陽系外，銀河系其他類似太陽系的恒星-行星系統(tǒng)，又有多大可能有理性生命存在？

　　惟有類似太陽大小的恒星-行星系統(tǒng)，才有可能存在生命。大質(zhì)量恒星演化非常快，從生到死僅約幾百萬年時間，而生命很難在如此短的時間內(nèi)產(chǎn)生；小質(zhì)量恒星的光度太暗，其行星必須距它們很近，才能獲取足夠能量使生命過程發(fā)生。然而，繞恒星運動太近的天體將被引力場俘獲，在自轉(zhuǎn)制動下，它們總是以一側(cè)相對恒星，這樣便使其一側(cè)太熱而另一側(cè)太冷。即使行星盡力保存大氣，其強烈的星風(fēng)亦難使兩側(cè)溫度達到平衡。

　　到目前為止，人類僅尋找到300余顆系外行星候選體，顯然尚需在太陽系其他區(qū)域、銀河系其他區(qū)域以及不同星族的恒星周圍，繼續(xù)尋找系外行星。只有擁有更大樣本的候選體，才能從統(tǒng)計學(xué)視角研究行星形成機制及其在銀河系演化中所起作用。

　　人類即使探測到類地行星，與尋找到地外生命的目標(biāo)仍相距甚遠(yuǎn)。為此，天文學(xué)家研究的下一個目標(biāo)將是某些系外行星候選體大氣成分，以尋找系外生命存在的跡象。

　　本世紀(jì)重大天體物理問題：星系形成與演化

　　宇宙從何而來？由大量恒星組成又作為宇宙基本單元的星系是如何形成和演化的？趙剛向記者推薦畢洪、鄒振隆、陳學(xué)雷撰寫的《宇宙大爆炸》一文，回答這一問題。

　　300多年前，牛頓認(rèn)為：宇宙永恒存在，且空間無邊無際。20世紀(jì)，一些科學(xué)家包括愛因斯坦、勒梅特、伽莫夫等，徹底顛覆了這種見解。經(jīng)研究和觀測證實，宇宙起源于一次“大爆炸”。

　　“大爆炸”理論認(rèn)為，大約137億年前，宇宙從極端高溫高密狀態(tài)起源，此后隨其體積膨脹和溫度下降，以質(zhì)子、中子等基本粒子形態(tài)存在的物質(zhì)，最先結(jié)合形成氘、氚、氦、鋰等較輕元素；隨后進一步冷卻形成恒星，在恒星內(nèi)部合成碳、氧、硅、鐵等重元素；再拋射到周圍形成行星；最終，像地球這樣條件適合的行星演化出生命，成為目前的宇宙。

　　1905年，愛因斯坦提出狹義相對論；10年之后，他又提出廣義相對論。相對論同量子論一起推動了20世紀(jì)物理學(xué)革命，亦為從整體上研究哈勃發(fā)現(xiàn)的星系宇宙，奠定了理論基礎(chǔ)。

　　20世紀(jì)20年代，天文界圍繞星系是否為銀河系一部分的問題，曾展開一場大討論。就在這時，天文界新秀埃德溫·哈勃來到美國威爾遜天文臺。1922年～1924年期間，他分析一批造父變星亮度之后斷定，這些造父變星和它們所在的星云距地球遠(yuǎn)達幾十萬光年，因而一定位于銀河系外。1925年，他根據(jù)河外星系形狀對其分類，又得出第二個重要結(jié)論：星系看起來都在遠(yuǎn)離地球而去，且距離越遠(yuǎn)，遠(yuǎn)離速度越高。哈勃于1929年發(fā)表的這個初步結(jié)論后來被更多觀測所證實，成為人們公認(rèn)的“哈勃定律”。

　　“哈勃定律”的重要意義在于，它表明宇宙并非如天文界以前認(rèn)為的那樣是靜止的；它顯示出宇宙中的星系就像一個膨脹氣球上的斑點，隨膨脹而退行已達100億年～200億年，從而為此前弗里德曼和勒梅特的膨脹宇宙模型提供了觀測依據(jù)。

　　1946年，一位移居美國的蘇聯(lián)科學(xué)家探索宇宙中基本元素如何形成問題。他堅信，高熱爆炸產(chǎn)生的輻射，即使是在100多億年后的今天，亦不會完全消失。

　　這一預(yù)言被后來的觀測研究證實：微波背景輻射即是大爆炸的“余燼”；隨著宇宙不斷膨脹，其背景輻射溫度亦逐漸降低，迄今相當(dāng)于絕對溫度2.7度即零下270.46攝氏度黑體發(fā)出的微波輻射。所謂黑體，是指能全部吸收外來電磁輻射而毫無反射和透射的理想物體。黑體發(fā)出的輻射在不同波長上的分布，僅與黑體溫度有關(guān)。

　　1989年的一個早晨，美國航空航天局將COBE衛(wèi)星送上太空。COBE最初9分鐘的觀測結(jié)果就表明，宇宙微波背景輻射具有完美的黑體輻射譜。宇宙大爆炸理論進一步得到證實。

　　兩名美國學(xué)者約翰·馬瑟和喬治·斯穆特，根據(jù)COBE衛(wèi)星測量結(jié)果進行分析計算后發(fā)現(xiàn)，宇宙微波背景輻射與絕對溫度2.7度黑體輻射非常吻合，此外微波背景輻射在不同方向上溫度有著極其微小的差異，亦即是說存在所謂的各向異性。

　　2006年12月3日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將該年度諾貝爾物理學(xué)獎授予美國科學(xué)家約翰·馬瑟和喬治·斯穆特，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射的黑體形式和各向異性。

　　諾貝爾獎評審委員會發(fā)布的公報說，馬瑟和斯穆特的成果有助于研究早期宇宙，并能幫助人們更多地了解星系和恒星的起源。