~:~對於『宇宙』想深切地認識一番嗎~:~(下)

高能天體物理學的研究物件包括類星體和活動星系核、脈衝星、超新星爆發、黑洞理論、X射線源、γ射線源、宇宙線、各種中微子過程和高能粒子過程等等。下列是宇宙學研究的一些最活躍的領域，大致按時間順序排列。

１、極早期宇宙

雖然大爆炸理論看起來可以解釋從10~33秒鐘開始的早期熱宇宙，它卻面臨著許多困難。其中之一是現今的粒子物理理論不能為宇宙的平坦性、均勻型和各向齊性提供一個令人滿意的答案。另外大統一模型預言了宇宙中有磁單極，它們也沒有被觀察到。

宇宙暴漲解決了這些問題，它的物理模型雖然很簡單，但是卻沒有被粒子物理所證實，其主要困難在於如何調和它和量子場論的矛盾。一些宇宙學家認為弦理論和膜宇宙學能為解決宇宙學原理提供另一方案。

宇宙學的另一主要問題是解釋為什麼粒子要多於反粒子。X射線觀測表明宇宙並不是由物質和反物質的區域組成的。它的主要組成是物質。這個問題稱為重子不對稱性，解釋這種現象的理論被稱為重子產生。重子產生理論是由薩哈羅夫於1967年提出的，它的必要條件中包括物質和反物質間的電荷—宇稱對稱性的破缺。

粒子加速器只觀測到很小的電荷—宇稱對稱破壞，不能解釋宇宙的重子不對稱性。宇宙學家和粒子物理學家希望能發現電荷—宇稱破壞的其他來源。重子產生和宇宙暴漲都與粒子物理有密切的聯繫。這些問題的解決答案可能會產生於高能理論和實驗而不是于天文觀察中。

２、大爆炸核合成過程

大爆炸核合成是關於元素在早期宇宙形成的理論。當宇宙演化到大約三分鐘時，它已經足夠冷卻，這時核聚變及核合成過程就終止了。因為大爆炸核合成過程持續的時間極為短暫，從氫離子（質子）出發，它的主要合成成品是輕元素如氘、氦-4和鋰。其他元素則極為微量。（重元素主要是由星體如超新星中的核反應而形成的。）

雖然在1948年伽莫夫、阿爾菲和赫爾曼就已經提出了這個理論的基本觀點，由於在此理論中輕元素的豐度與早期宇宙的物理性質關係密切，它至今仍然是檢驗大爆炸時期物理理論的極靈敏的探針。比如，它可以用來檢驗等效原理、暗物質和中微子物理。

３、宇宙微波背景輻射

宇宙微波背景輻射是指退偶過程（即大爆炸所產生的輻射停止與帶電離子的湯普生散射及原子第一次形成這一過程）所殘餘的輻射。這種輻射是由彭齊亞斯和威爾遜在1965年發現的。它具有幾乎完美的2.7K黑體輻射譜，只在十萬分之一內偏離各向同性。

宇宙學家們可以用描寫早期宇宙細微起伏演化的宇宙學微擾理論來精確地計算輻射的角度功率譜。最近的衛星（COBE和WMAP）和地面及氣球（DASI，CBI和Boomerang）實驗也測量了此功率譜。這些工作的目的是為了更精確地測量Λ-冷暗物質模型的參數，同時也為了檢驗大爆炸模型和新物理模型的預言。

例如，最近WMAP的測量就為中微子的品質提供了限制。更新的實驗的目的則是測量微波背景譜的極化。它將為微擾理論提供更多的證據，也將為宇宙暴漲和所謂的次級非各向同性（如由背景輻射和星系和星系團相互作用引起的散亞耶夫-澤爾多維奇效應和薩克斯-沃爾夫效應）提供資訊。

４、大尺度結構的形成和演化

理解最早和最大結構（如類星體，星系，星系團和超團）的形成和演化是宇宙學的核心課題之一。宇宙學家們研究的是一種由下至上有層次的結構形成模型。在此模型中，小物體先形成，而大的物體如超團還在形成過程中。研究宇宙中結構最直截了當的方法是普查可見的星系，從而構造一個星系的立體圖像並測量物質功率譜。這就是斯隆數碼天空普查和2dF星系紅移普查的研究方案。

理解結構形成的一個重要工具是模擬。宇宙學家們用它來研究宇宙中物質的引力堆積和線狀結構，超團和空穴的形成。因為宇宙中冷暗物質要比可見的重子物質多許多，所以大多數模擬只計入它們。這種處理對理解最大尺度的宇宙是足夠了。更先進的模擬已經開始計入重子的效應，它們也開始研究星系的形成。宇宙學家們檢查這些模擬是否與星系普查的結果一致。如果不一致，則研究偏差的原因。

宇宙學家還用其他互補的方法來測量宇宙遙遠處的物質分佈和重離子化過程。這些方法包括：1.萊曼阿爾法譜線森林。通過測量氣體對遙遠類星體所發射光的吸收來測量早期宇宙中中性氫原子的分佈。2.中性氫原子的21釐米吸收線也提供了靈敏的測試。3.由於暗物質的引力透鏡效應而引起的對遙遠物象的扭曲，即所謂的弱透鏡效應。這些方法都將幫助宇宙學家解決第一顆類星體如何形成這一問題。

５、暗物質

大爆炸核形成、宇宙微波背景輻射和結構形成的研究證據表明了宇宙品質的25%是由非重子的暗物質組成的，而可見的重子物質只占宇宙品質的4%。作為星系周圍暈環中的一種冷的、非輻射性的塵埃，暗物質的引力效應已經被瞭解得很透徹了，但是它的粒子物理性質還是個謎，人們從沒有在實驗室中觀察到它們。

暗物質的可能候選包括穩定的超對稱粒子、弱作用重粒子(WIMP)、軸子和重的緊致空穴物體，它甚至還可能是在極小加速度下引力的修正（修正的牛頓動力學，或MOND)或瞙宇宙學的一種效應。星系中心的物理（如活躍星系核，超重黑洞）可能會給暗物質的性質提供線索。

６、暗能量

如果宇宙是平坦的，那麼必須有一種東西組成71%的宇宙密度（扣除25%的暗物質和4%的重子物質）。它被稱為暗能量。這種東西不能干涉大爆炸核合成和宇宙微波背景輻射，所以它不能象重子和暗物質那樣在星系周圍暈環中結團。

因為宇宙是平坦的，所以我們知道它的總品質。通過觀測我們也知道宇宙中結團物質的品質比總品質遠遠要小，這就為暗物質的存在提供了很強的證據。1999年發現的宇宙加速膨脹（類似宇宙早期的暴漲）為暗物質提供了更強的證據。

除了暗物質的密度和結團性質外，我們對它一無所知。量子場論預言了一種類似暗物質但比它大120個數量級的宇宙常數。溫伯格和一些弦理論家由此提出人類學原理。他們認為宇宙常數如此小的原因是因為人類不能在其他大宇宙常數的世界中生存。

許多人覺得這種解釋很牽強，暗能量其他可能的解釋包括精粹物質（quintessence）和在大尺度下引力的修正。這些模型的核心是暗物質的狀態方程，不同的理論有不同的狀態方程。暗物質的本質是宇宙學中最具挑戰性的問題之一。

如果我們對暗物質有更好的理解，我們可能會解開宇宙最終結局這一謎題。在現在這個宇宙時期，由暗物質引起的宇宙加速膨脹阻礙了比超團更大結構的形成。我們還不清楚這種加速膨脹會不會永久持續下去，或許它會加快，甚至它也可能會變成減速膨脹。

７、其他研究方向原初黑洞

宇宙射線譜中的格萊森-查策平-庫茲明截斷。對此截斷的違反是否隱示了在極高能下狹義相對論的失效等效原理。愛因斯坦引力理論是否正確，物理原理的普適性。

現代的觀測研究得出，我們的宇宙是由極小、極熱的密集“原始火球”的“大爆炸（Big Bang）”開始的，宇宙年齡現在已達137億年。應當指出，“大爆炸（Big Bang）”只是生動的比喻，跟炸彈爆炸時彈片飛散完全不同，大爆炸是空間自身膨脹。在宇宙的極早期—大爆炸後10-35到10-33秒瞬間，宇宙發生“暴漲”，在一切方向迅猛空間膨脹約1040倍，宇宙基本上是均勻各向同性的，但也存在局部的小“漲落”，正是這些漲落不均勻性“埋下”形成星系及恒星的“種子”。

宇宙極早期是光子和其他物質緊密耦合著的混沌。隨著宇宙膨脹，物質密度變小，溫度變低，粒子成分也發生轉化，生成氫、氦等元素。到大爆炸後約30萬年，遺留遍佈的熱氣體，發出的輻射才可以到處穿透，成為“宇宙背景輻射”。在宇宙“漲落”的局部較密集區，由於自吸引而形成第一批星系和恒星等天體。隨後，在恒星內部的高溫和高密度條件下發生氫燃燒（氫聚變為氦）、氦燃燒（氦聚變為碳、氧）等熱核反應，生成重元素，同時產生巨大能量，發出強輻射。這些重元素又隨著恒星的爆發而拋到星際，以後又參與下代恒星及星系的形成和演化。

長期以來，科學家一直認為宇宙是如同球體的完美圓形。但最新研究發現，宇宙的形狀可能像藥丸一樣向兩側展開。這一形狀也許是因遍及整個宇宙的磁場或時空結構的缺陷引起的。

義大利科學家根據美宇航局威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)收集的資料得出了這一結論。威爾金森微波各向異性探測器主要用於掃描天空，測量宇宙大爆炸後所產生殘餘物的溫度。迄今為止，這個探測器發回的資料明確了有關宇宙的一些最重要細節。這其中包括自大爆炸以來宇宙的歷史(137億年)；第一個原子形成的時間(大爆炸後38萬年)，普通物質及稱為暗物質和暗能量的神秘物質在宇宙的構成比例(分別為5%、25%和70%)。

威爾金森微波各向異性探測器還揭示了天空部分區域對宇宙微波整體狀況影響的奇特方式。不過，一旦它涉及天空中的最大樣本，微波輻射水準似乎就不充分。而另一方面，較小樣本似乎正以預料的水準散發輻射。現如今，義大利費拉拉大學天體物理學家萊昂納多·卡帕尼利(Leonardo Campanelli)及其在巴里大學的同行保羅·塞阿和路易吉·泰代斯科發現，狀如橢圓形的宇宙能夠解釋這種所謂的“四極不對稱”。

義大利研究人員表示，如果宇宙確實在原子首次形成後並未像球體一樣擴展，而是像橢圓體一樣伸長，這有可能解釋最大程度看到的奇特的宇宙微波強度。宇宙的非球體部分可能比其他部分更遠，因此顯得稍微有些昏暗，當我們只仰望天空細微的薄層時，這種些許的差異根本感覺不到。

據卡帕尼利及其同事介紹，宇宙的偏心率可能比科學家通常認為的高出1%左右。卡帕尼利表示，橢圓形的宇宙可能由遍及宇宙的磁場或諸如宇宙弦(cosmic string)等時空缺陷造成的，宇宙弦具有密度無限大的結構，僅有質子那麼寬，能升長至星系際規模，它們的重力能夠使時空產生偏移。

一個國際科研小組利用位於美國新墨西哥州索科羅的甚大射電望遠鏡陣（VLA）觀察發現，宇宙中存在巨大的磁性環狀結構，而它們以幾百萬倍於LHC所能產生的能量驅動著宇宙中的自由電子。這一發現為解釋銀河星系團如何形成提供了新的依據，甚至可能揭開高能宇宙射線起源之謎。

正如恒星和行星都是從鬆散的塵埃和氣體雲團開始一樣，星系也是由比它大得多的雲團凝塊坍塌而成的。當星系在宇宙空間移動時，它們巨大的重力持續牽引著周圍的雲團。當星團與周圍雲團發生碰撞或者被拉到一起時，它們能夠以令人驚駭的能量壓縮並加熱這些雲團。

該研究小組表示，他們發現了距地球6億光年之外的“環狀節段”，它們是由名為“艾伯耳3376”的銀河星團周圍600萬光年距離內巨大的磁性帶電粒子流組成的。

帶領該研究小組的印度普納校際天文及天體物理中心的Joydeep Bagchi表示，更讓人驚奇的是，即使電子和其他粒子處在銀河間介質中密度極低的區域，但它們在“環內”旋轉分離，就好像正被巨大的線性加速器推動一樣，這表明宇宙中有巨大的能量源創造了這個“環狀物”—它的能量大到足夠保證太陽照耀20兆兆年。同時它也足夠產生那些能夠擊打地球探測器的高能宇宙射線中極具能量的粒子，而這些粒子已經困擾了科學家幾十年之久。

研究團隊認為，最有“嫌疑”的可能是當星團周圍的氣體雲團以每秒數千公里的速度相互撞擊時形成的激波。“這就像從你身邊經過的飛機產生的衝擊波讓你聽到音爆一樣，”Bagchi說“我們相信‘艾伯耳3376’星團中的情況與此類似，環狀的射電結構正在描繪出激波。”然而，激波產生的精確機制仍是未知的。

德國加興馬普天體物理學研究所的Torsten Ensslin表示，有兩種可能的解釋。一是極大銀河雲團的正面碰撞；或者是銀河星系的引力可能正在通過簡單地牽引邊緣物質使其更接近它們的中心，從而產生了激波。

而人們經常問：我們地球不僅表面有生命，溫暖的地殼下面和寒冷的冰山頂上也有。地球外也有生命嗎？科學家認為，回答應當是肯定的，他們把地球外有生命的地方叫做“生命居住區”，並且認為生命居住區只能出現在地球型行星和相應的衛星，例如太陽系的火星、木衛二、木衛三、土衛二和土衛六上。而恒星上因為溫度太高，生命難以生存，所以不能作為居住區。

“居住區”一詞最早出現在1959年，1992年美國賓夕法尼亞州的詹姆斯•凱斯汀對它作了詳細的闡述：居住區是恒星周圍的空間區域，區域內的行星表面上要有液態水，這樣的區域只能存在於“太陽型恒星”周圍的行星上。在我們太陽系中，居住區位于金星與火星之間，這裏不太熱，也不太冷，是“黃金軌道”區。比金星近的行星太熱，太乾燥；也不能太遠，像冥王星那樣的行星太冷，整個行星結成了一塊冰，生命無法生存。

居住區的位置取決於帶行星系統的恒星大小和溫度，一般位於恒星外面。恒星越熱，居住區的位置越遠，也越寬。居住區也取決於行星大氣，如果某行星周圍存在大量俘獲熱量的溫室氣體，例如二氧化碳，那麼該行星就可以維持在距離恒星較遠的地方。

此外，還希望恒星周圍有氣體/塵埃盤，否則就沒有形成行星的“原料”。行星形成後還需有長期穩定的氣候和適當比例的化學成分，還需要有磁場防護來自太空其他星球的致命高能粒子襲擊。對地球大小行星而言，維持生命或許還需要一個大品質行星作為 “引力真空吸塵器”，為地球大小的行星清除前進道路上的障礙，以免發生1994年“蘇梅克－劉維彗星”撞擊木星那樣的宇宙撞擊事件。

對於生命起源和生存而言，一定要在地質時間尺度上保持連續的可居住性。由於這個原因，天文學家只選擇低品質的主序星作為具有可居住的行星。這樣的恒星像太陽一樣，所以生命的諾亞方舟應當到“太陽型”恒星周圍去找。現在已經在太陽系外發現了130多顆行星，但遺憾的是，除地球外，目前還沒找到一顆行星上有生命棲息。據估計，在銀河系內，周圍擁有行星系統的恒星有100萬－150萬顆，而且這些恒星不是一成不變的，由於演化，恒星會變老。恒星變老，光度會增加，這將推動居住區向外移。

在極端情況下，整個居住區可以移到它的所在地外面，從而導致業已形成居住區的行星上一切生命都慘遭不幸！。在太陽的情況下，居住區將移動0.95－1.15個天文單位。好在大部分恒星生命期間，恒星變老對居住區影響不太大，不會影響到居住區的存在，即使在它們內外邊緣隨其光度變化而變化的時候，也不會有多大的改變。

人類的認識是與時俱進的，科學家的思想也是一樣。20世紀下半葉，在宇宙生命研究中取得了一系列發現，這些發現向傳統觀念提出了挑戰，讓科學家對居住區的認識有了飛躍。10年前科學家在被視為生命不能存在的海底發現了微生物，其中有奇異的蟹、奇異的蛤和奇異的管蟲，還有細菌移民。

這是一些超級喜熱微生物，生活在海底火山口附近117℃的熱液周圍或熱液中，依靠從火山口噴發出來的鱗狀發光物生活。它們能抗禦極高的壓力和腐蝕性極強的酸，能經受大劑量輻射照射。除了海底存在奇異的有機物外，還在幾米深的溫暖地殼下面和寒冷的冰山頂上，發現了包括超級喜熱微生物在內的多種原始生命。

超級喜熱微生物與呼吸氧氣的有機物獲得能量的方式不同，它們不需要有機分子或陽光，而是由臨時代謝作用獲得能量。地球上所有有機物都存在核糖核酸的細胞分子內，每一種核糖核酸都有唯一的化學序列，兩種比較接近的核糖核酸，其核糖核酸序列比較相像。

因此大量比較有代表性的有機物，科學家可以做出地球上熟悉的“生命樹”，令人驚訝的是，生命樹的“根”和最低的“枝”都被超級喜熱微生物佔據著。這給科學家一個啟迪：生命可能起源超級喜熱微生物；在苛刻的生命條件下，生命力頑強的有機體能夠生存。因此在傳統的居住區外面，有液態水的地方也可以支持生命存在；如果一顆巨大行星內有大量內能提供熱量，它就不需要接近太陽，在沒有光照的表面上也能有足夠能量維持生物量。

即使上面一切都具備了，在適當軌道上發現地球大小的行星後，還需要對新世界的居住區進行仔細考慮。因此，在尋找太陽系外新行星的同時，還需要對已經探測到的生命諾亞方舟進行深入研究。

有人預計，發現新行星的任務在10－25年內可以基本結束，而由於太陽系外行星距離遙遠，那裏1米大小的物品地面望遠鏡無法看見，因此第二項任務歷史地落到了空間科學家的頭上。空間科學家準備發射大型空間望遠鏡，已列入計畫的有歐洲空間局的“達爾文”（簡稱Darwin）和美國宇航局的“地球型行星發現者”（簡稱TPF）。