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10年时间捕捉转瞬即逝的宇宙事件

  • 2020-08-12 11:28:59

自从新冠让人们注意保持社交距离,我养成了早上在家附近的森林里慢跑的习惯。在开始的几个月里,我关注那些向天空伸展的绿枝,但最近我开始留意倒在地上的树干残骸。森林里有很多这样的残留物,它们被白蚁啃食,腐烂,最终散落进地下的泥土中。对森林的一瞥就能揭示那些在方生方死的树木生命历程中的一系列演变阶段。

这一现象也发生在其他环境中。比如,我最近结束了哈佛大学天文学系主任的九年任期。进入生命的新阶段也许能使人谦卑。我们在回顾已经凝结的过去时常常产生一种永恒的错觉,就像是不朽的雕塑一样。但这样的观点是短视的,因为每一刻都可以被看作是一个新起点,是由我们控制之外的,更大尺度的力量所塑造的。

传统的天文学同样被一种错误的永恒观念所渗透。天文学家通过收集宇宙的静止图像,产生了一种宇宙中没有新鲜事物正在发生的印象。但就像我在森林中漫步时的感悟一样,这些快照展现了不同年代,不同演化阶段的恒星与星系。电脑模拟通过求解物质运动方程,帮助我们拼凑出宇宙从诞生之初(这些信息被刻在宇宙微波背景辐射中)到现在的整个故事。这些模拟生成的人造宇宙快照类似于望远镜捕捉到的画面,帮助我们揭示宇宙的根源。最后得出的科学认知是,我们可能源自早期宇宙的量子涨落。也许我们应该把“量子力学日”加入到我们一年一度的母亲节、父亲节庆祝活动中。

然而,观测结果组成的照片集中有缺失的页面:被称为宇宙黎明的时期,例如,最早一批恒星与星系出现的时候。这些页面将由下一代望远镜在下一个十年填补,比如詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST),地面上的极大望远镜以及氢原子再电离时期阵列(HERA)。

事件视界望远镜最近捕捉到大型星系M87中黑洞的静止轮廓图像。下一个目标是获取一系列图像或者视频,以展示黑洞周围吸积流随时间的变化。

传统的静止图像在处理像星系一样,在数十亿年的时间尺度上演化的系统时是合理的。但宇宙中同样上演着如演化般转瞬即逝的事件,在人的生命长度内闪耀而后黯淡。维拉·C·鲁宾天文台的大型综合巡天计划(LSST)的目标,正是观测这些事件。LSST将在明年接收到第一缕光,并将在此后10年内为南天每一片区拍摄近一千张深度多彩照片,并为宇宙中那些转瞬即逝的事件录制有史以来范围最广的影片,完整地展示其壮美瑰丽。

LSST有望捕捉到的一些耀斑或将成为LIGO/Virgo或未来的LISA探测到的引力波源的对应物,进而开创同时基于引力波与电磁波的多信使天文学,并为理解这些短暂现象的能量来源提供新的见解。同时,(类似于此前测距用到的“标准烛光”,)与之相关的“标准哨音”可能成为测量宇宙学精确距离的新标尺。

在银河系中,靠近地球的短暂事件可能导致大灾难。比如,一次超新星爆发可能导致前所未有的大规模灭绝。如果一颗像2013年袭击车里雅宾斯克附近无人区,或者1908年袭击通古斯的陨石撞向纽约,可能造成远超新冠的大规模死亡与经济破坏。或者想想类似于2012掠过地球的日冕物质喷射那样的,来自太阳的大团炽热气体的冲击。这样的事件会关停通讯系统,使卫星失效,破坏能源网络。总而言之,对这类星际威胁的预警将对保障我们物种的延续起着至关重要的作用。

要确保我们的长期生存,最重要的是识别出那些运行轨道与地球存在交集的大型物体,就像6600万年前令恐龙灭绝的希克苏鲁伯小行星。在2005年,美国国会通过一项议案,要求NASA在2020年之前发现并追踪至少90%的直径超过140米的近地天体(它们足以造成地区性破坏)。而迄今为止,这类天体中只有三分之一被识别出。在和我的一名本科生阿米尔·希拉吉(Amir Siraj)合作最近的一篇论文中,我们对有关希克苏鲁伯小行星的一些令人困惑的问题给出了解释:它是一颗长周期彗星在掠过太阳时,受潮汐力作用分裂而成的碎片。如果未来的巡天观测在另一块碎片在天空背景中迅速变大时向我们发出警告,我们最好能有一套改变其轨道的应急方案——要不然赶紧给我们的房产经纪人打电话。

如果在未来几十年内,宇宙学的研究继续向着更精密的方向发展,我们将证实,描述宇宙膨胀速率的哈勃常数并非一个常数。(1962年,艾伦·桑德奇直接测量出宇宙膨胀速率为一个常数)从长远来看,唯一不变的是就是变化。宇宙在暗能量的影响下加速膨胀将会是后新冠时代银河系外社交距离的终极表现,阻止了未来我们和银河系外文明的任何联系。

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