宇宙中的八大“最”

許槑

(中國科學院 北京 100190)

英國新科學家(New Scientist)周刊2011年3月5日的一期刊登了Stephen Battershy的題為Cosmic Show-stoppers的長文，描述了宇宙中八項之最(大、快、熱、冷、暗、亮、圓、密)的事物.現(xiàn)介紹于下.

1 宇宙中最大的

最大的行星：太陽系中最大的行星是木星，它是一個由氫和氦組成的氣體巨行星.2006年發(fā)現(xiàn)的被命名為TrES-4b的天體也是一個氣體巨行星，它圍繞著一距地球1 500光年的亮星運行，其直徑約為木星的1.8倍，但其質(zhì)量只是木星的88%,從而其密度約為0.2 g/cm3,比軟木塞還要蓬松.在發(fā)現(xiàn)此天體不久，又發(fā)現(xiàn)一距地球約1 000光年的太陽系外的被命名為WASP-17b的行星，其直徑約為木星的兩倍而質(zhì)量只有木星的一半，比之TrES-4b還要松軟.

最大的恒星：被命名為大犬座VY的恒星距地球約5 000光年，直徑約為30×108km.屬于很少見到的紅特超巨星(Red hypergiant)一類.其龐大的體積可容納下80多億顆太陽大小的恒星(太陽的直徑為1.39×106km).但此估計有爭議，有人認為它只是一個紅超巨星(Red supergiant),直徑只有10×108km.

最大的星系：按照星系形成的標準模型，目前已測知的最大的星系是由眾多較小星系碰撞而形成的巨橢圓形透鏡狀星系IC1101，它位于距地球10億光年之遠的Abell2029星系團之中心，其直徑近乎6百萬光年，體積千倍于我們銀河系.

最大的洞：說的不是黑洞，而是由眾多星系圍繞而形成的巨洞，洞中未發(fā)現(xiàn)任何天體.一些已發(fā)現(xiàn)的空洞之直徑約為1億光年.2007年又發(fā)現(xiàn)一個古怪的大空洞，其直徑竟達到10億光年.有人認為這是我們的宇宙在久遠年代之前與另一宇宙碰撞后的遺跡.

目前，最大的人造“天體”大概是跨度109 m,重370 t的國際空間站了.

2 宇宙中最快的

速度是相對的，在宇宙內(nèi)，對于“靜止的”是沒有絕對標準的.我們的太陽系以600 km/s的速度相對于彌漫在宇宙內(nèi)的微波背景輻射前行，但人們并未感覺到微波吹拂著我們的頭發(fā).這是因為此波動是非物質(zhì)的.遙遠的星系也以與太陽系差不多的速度在運動.

在我們太陽系內(nèi)，被昵稱為上帝之信使的水星是諸行星中運動得最快的，其軌道速度達到48 km/s.地球繞日的速度僅為30 km/s.1976年，人造天體Helios2太陽探測器以70 km/s的速度經(jīng)過太陽上空.而從太陽系外圍猛撲向太陽的慧星，在掠過太陽表面時其速度也高達600 km/s,但尚未達到能逃逸出太陽系的速度.

在銀河的邊緣天文學家們觀測到一些速度高達850 km/s的“超速星”.理論工作者認為這些星曾與銀河系中心的大黑洞密切相遇，是黑洞的巨大引力將它們向外彈射且又在飛越星系的其他區(qū)域時被加速.一些宇宙彈射還會產(chǎn)生磁暴，噴射出纖細的物質(zhì)噴注，其速度可高達大于光速的99%.

自轉(zhuǎn)的中子星作為脈沖星扮演著磁魔力的角色.脈沖星能高達每秒旋轉(zhuǎn)1 000圈，這意味著其表面以光速的20%在移動.距其表面足夠遠處，它拋射的磁場之移動甚至比光速還快.這并不違背物理定律，因為磁場不攜帶信息的能量.

借助于黑洞的引力，連固體也能接近于光速.在黑洞的視界，一塊石頭會無聲無息地不見了，但在不同軌道上運行的兩塊石頭卻會相撞.按照2010年日本東京大學的原田佳奈和高崎雄二兩人對此問題聯(lián)機運算的結(jié)果：黑洞的旋轉(zhuǎn)在其周圍攪打起一旋渦并增加了兩石塊的碰撞速度.其結(jié)果會在宇宙內(nèi)的某處，發(fā)現(xiàn)一快速旋轉(zhuǎn)的黑洞緊抓住的兩塊石頭以接近于光的傳播速度相互沖近.

3 宇宙中最熱的

表面溫度為5 800 K的太陽與宇宙中眾多熱源相比仍是個小角色.藍超巨星，其巨大質(zhì)量擠壓著其核心提供內(nèi)部核火，溫度可高達5萬 K以上.白矮星是類似太陽的恒星，在其生命終結(jié)階段發(fā)生坍縮形成的殘骸是一個高溫致密球體.被命名為HD62166的這種星球被測知達到20萬 K的溫度，其發(fā)光的大氣照亮了巨大的星云.

最大的超巨星其核心溫度可高達10億 K以上.對于一穩(wěn)定的恒星，理論上的溫度上限約為60億 K,此時，恒星內(nèi)部的物質(zhì)開始發(fā)射光子，如此高能量的光子當它們互相碰撞時能產(chǎn)生電子、正電子對.而這樣的超高速反應將使星體在巨大的爆炸聲中毀滅.符合上述猜想的這種“對-不穩(wěn)定超新星(Pair-instability supernova)”在2007年被觀測到，這是一次極明亮的持續(xù)時間例外地長的恒星爆發(fā)，這一現(xiàn)象暗示：宇宙中可能存在著比以前人們想象中大得多的恒星.

超新星的溫度有時會短暫地大于60億 K.1987年，在距離我們16萬光年的大麥哲倫云中爆發(fā)了一顆恒星，從探測來自該恒星核心的中微子的能量，揭示出此星內(nèi)部的溫度約為2 000億 K.但若將其與γ射線爆發(fā)相比則是小巫見大巫了.利用特殊調(diào)諧的望遠鏡每天可探測到1或2次γ爆.γ爆被認為是黑洞誕生的標志，這種現(xiàn)象發(fā)生在一巨星的核心坍縮或兩個超密中子星碰撞之時，但不知何故這時引力能被轉(zhuǎn)變?yōu)棣蒙涫推渌椛?雖然，反應過程的詳情目前還不清楚，但必定包含一相對論性火球被加熱到10萬億 K.

位于瑞士日內(nèi)瓦郊外的歐洲核子研究中心，于地下100 m的強子對撞機(LHC)的探測室內(nèi)，在2010年11月8日和12月6日，鉛原子對撞時，記錄到一亞原子火球的數(shù)百億K的高溫.人們建造LHC的目的在于模擬宇宙創(chuàng)生時之情景，那時溫度和密度都應趨于奇點，溫度可能達到1032K區(qū)段.

4 宇宙中最冷的

太陽系內(nèi)最冷的場所離我們不太遠.2009年，美國宇航局發(fā)射的月球勘測軌道飛行器發(fā)現(xiàn)月亮南極附近陽光長年照不到的陰影下的環(huán)形山只有33 K(-240℃)，甚至比在遙遠的、黑暗中的冥王星處已測知的任何溫度都低.

太陽系之外，肯定存在著一些更冷的巖石.所有這些最冷的孤立的游蕩者很可能在星系之間的巨洞內(nèi)被發(fā)現(xiàn)，它們只受到宇宙創(chuàng)生大爆炸的虛弱微波之余輝及遙遠星光之微光的照射，其溫度不會高于3 K.

由于2.7 K微波背景輻射沐浴著整個宇宙，也許宇宙中沒有任何實體的溫度會低于2.7 K了.否！一個距離我們5 000光年之遠被命名為Boomerang的氣云，其溫度只有1 K.此氣云因其膨脹得很快，故能有效地冷卻其氣體，這類似于家用電冰箱或空調(diào)器中冷卻劑膨脹致冷的方式.

Boomerang氣云能否保留其作為宇宙中最冷的已知自然物體之地位尚待觀察.2003年，在美國麻省理工學院實驗室中，鈉原子云被冷卻到0.45×10-9K，高于絕對零度不到0.5×10-9K.

5 宇宙中最黑暗的

星系被認為是閃耀的寶石，點綴著數(shù)十億顆亮星和發(fā)光的星云.但距我們75 000光年的近鄰星系Segue1卻是一匹黑馬，直到2006年才被發(fā)現(xiàn).這是因為它總的光發(fā)射只有太陽的300倍.Segue1中少量的星周游得非常之快，故其引力必定相當強，推測它至少具有百萬倍太陽質(zhì)量的物質(zhì)，其中極少部分組成了發(fā)光的恒星和氣體，而極大部分應是奇特的暗物質(zhì).對Segue1這種矮星系的深究能獲得關于暗物質(zhì)更多的知識.例如，如果這類星系之核心的稠密程度低于冷暗物質(zhì)標準模型所預期，則將意味著構(gòu)筑星系的材料是溫暖的，或有自毀傾向，或者是由絨毛般的非常輕的粒子構(gòu)成的.

甚至會發(fā)現(xiàn)一“暗星”：一個因其內(nèi)部暗物質(zhì)的衰變被逐漸溫暖起來的冷氣體大球.這樣的天體有人認為在極早期宇宙中已經(jīng)存在，但一直未被發(fā)現(xiàn).

目前，歐洲核子研究中心的大型強子對撞機正用于搜索可能存在的暗物質(zhì)粒子.因此，有可能地球上最熱的事物在不久的將來會照亮了空間最暗的東西.

6 宇宙中最明亮的

對于宇宙中發(fā)光天體的亮度，原文作者用太陽輸出之晃眼的光芒4×1026W作為單位來衡量.

距地球1 300光年的獵戶星座ε星其亮度為太陽的40萬倍，此藍超巨星位于“獵人腰帶”的中央.我們銀河系中比1 300光年遠得多的亮星，有的因被塵埃遮蔽，但仍很亮，例如不穩(wěn)定的船底座η星，其輸出的光亮是太陽的5百萬倍.

2010年7月，天文學家們在銀河系的近鄰大麥哲倫云中發(fā)現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的R136al星，其亮度為太陽的9百萬倍，質(zhì)量估計為太陽的250倍.無論如何，從銀河系及其相鄰星系之氣體中可利用的化學混合物都不可能制造成如此之重的恒星.或者此星是由從早期宇宙至今不知何故一直未遭受污染的純氫和純氦構(gòu)成的，要不就是現(xiàn)行的恒星結(jié)構(gòu)理論有某些錯誤之處？

大質(zhì)量恒星爆發(fā)后形成的超新星，其閃亮可維持數(shù)周.距我們47億光年的一星系中出現(xiàn)的超新星SN2005ap,其最亮時達到太陽的1千億倍.γ射線爆發(fā)的閃光，雖僅數(shù)秒，但爆發(fā)出的能量要比超新星多得多，其光度比1018個太陽疊加在一起還要多.

若視超新星和γ射線爆發(fā)為瞬間即逝的爆發(fā)源，則宇宙中最亮的穩(wěn)定的強光源非類星體(Quasar)莫屬：當該天體外圍豐富的星星和氣體不斷地旋入中心的大質(zhì)量黑洞時將使其成為3萬億倍太陽的白熱星球.

7 宇宙中最圓的

歐洲中世紀的一些天文學家認為：宇宙是一“套裝的，有層次的”完美水晶球，各層次從里向外分別攜帶著太陽、月亮、各行星(包括地球)和恒星.現(xiàn)在，我們知道空間存在著各種形態(tài)的物體，但它是否擁有一些能反映完整球形影像的客體呢？

行星被自身的引力拉拽形成相當好的橢球狀.例如，地球上最突出的隆起和最深凹的溝壑，從喜馬拉雅山巔到馬里亞納海槽，一出一入，兩者凸凹的間距不到地球半徑的千分之二.如果地球不是由于不停地自轉(zhuǎn)導致輕微壓扁的形狀(在兩極拽進，在赤道兩側(cè)凸起)，我們的家園將是一個完好的宇宙臺球.

與中子星相比，地球確實是一個嶙峋的天體.中子星核心的巨大密度(1018kg/m3)導致其表面的引力比之地球約強千億倍，因而足以平滑掉其表面一切極輕微的凹凸之處.中子星的“珠穆朗瑪峰”可能不到5 mm高，中子星的典型直徑為10至15 km,故其“喜馬拉雅山”的高度不到其半徑的百萬分之一.

為了檢驗廣義相對論，2004年4月20日發(fā)射升空的GP-B實驗衛(wèi)星中安裝的4個乒乓球大小的直徑為3.8 cm的陀螺，其球形在各個方向上的尺寸誤差不超過40個原子一字排開的尺度，其距滾圓的不規(guī)則性不大于千萬分之四.

相對論還提供比上述小球更為圓滑的景象：這就是黑洞的視界.該視界包圍著一個區(qū)域，光線不能從區(qū)域內(nèi)逸出視界到達遠方觀測者的眼睛.但視界不是一個確切的表面，你沒法將手穿過去并驚異其新修整的光滑度.可能不久天文學家們有辦法辨明某些黑洞的視界之像，并讓我們見到這些虛假表面的清晰之畫面.它們或許是自然界中最接近于完整滾圓球形的表面.

觀測客體向視界降進可能是對愛因斯坦相對論最嚴格的檢驗.如果見到氣體的碎片在軌道上稍稍偏離相對論的預期，則需要一個新的引力理論.當然，若黑洞原來就是沒有理論所預期的視界之天體，那將是一樁令人震驚的事件.

8 宇宙中最稠密的

在地球表面適中的溫度和壓力下，已知最稠密的金屬元素是鋨(Osmium),1 cm3的容積內(nèi)可緊壓22 g的鋨，或曰：滿滿一茶匙的鋨原子之重量稍大于100 g.雖然，眾多鋨原子之密實的原子核被充斥著蓬松的電子云分隔著，但這些稀疏的電子云卻是很強勁的，即使受到如地球深部那樣巨大的壓力也只能將其壓縮到中等程度.

中子星是巨星爆發(fā)后的殘存核心.該星由中子(Neutron)組成，也可能存在一些質(zhì)子和電子.諸粒子被壓縮得緊靠在一起.中子星核心的1 m3“Neutronium”物質(zhì)，其質(zhì)量可高達1018kg或1015t.中子星也可能有更為稠密的假想物質(zhì)夸克存在于其核心，夸克是組成質(zhì)子和中子的成分粒子.有人以最近發(fā)現(xiàn)的兩例過重的中子星反駁這一說法：核心的夸克物質(zhì)被過度擠壓可能已湮沒了.當中子星的外殼破裂時發(fā)生之能量的跳顫式爆發(fā)，是為星震.

Neutronium,或夸克可能是宇宙中物質(zhì)的最稠密形式，但它們可能不是宇宙中最稠密物體的組成成分.進一步壓縮中子星，它將成為一黑洞.不是所有的黑洞都特別地稠密：事實上，大的黑洞，就其視界內(nèi)所包含的物質(zhì)而言，是很稀疏的.巨橢圓星系M87中心的超大質(zhì)量黑洞之質(zhì)量是太陽的64億倍，但其密度只有0.37 kg/m3,比地球上的空氣還要輕.另方面，已知最小的被命名為XTEJ1650-500昵稱小青鳉的小黑洞，其質(zhì)量為太陽的3.8倍，但其密度卻超過1018kg/m3,稍高于Neutronium.

按照量子理論，宇宙中物質(zhì)最大的密度是1普朗克質(zhì)量(10-5g)占據(jù)跨度1普朗克長度(10-33cm)的立方體時的物質(zhì)密度(1094g/cm3).這實際上就是宇宙創(chuàng)生時所處狀態(tài)下的物質(zhì)密度.