宇宙之最

宇宙最熱、最冷的地方在哪里?最亮、最暗的東西是什么?最快、最圓的東西是什么?本文將一一作答。

最熱:讓你瞬間化為粒子

要尋找宇宙最熱的地方,可以從太陽系的熾熱中心——太陽開始,太陽表面溫度5800K,雖然不低,但在宇宙范圍內可算不上熱。那些藍超巨星巨大的質量擠壓著自身的核心,核反應十分劇烈,它們表面的溫度可以達到5萬K。

不過這跟白矮星相比就遜色多了。白矮星是小質量恒星燃盡后留下的灼熱致密天體。其中目前天文學家觀測到的最熱的一顆白矮星,距離地球40多光年,其表面溫度達到了20萬K,它明亮的大氣照亮了旁邊一塊巨大的星云。

恒星內部溫度遠高于表面,最大的超巨星核心溫度超過10億K。對于一顆穩定的恒星,核心溫度的理論上限是60億K。在這個溫度下恒星內部物質發射出的光子能量已經高到可以在互相碰撞時轉化成正負電子對,這樣的反應會讓恒星失去穩定,最終讓在一場巨大的爆炸中毀滅。

而在超新星爆發的時候,恒星的溫度可以在短時間內遠遠地超過60億K。1987年,天文學家觀測到了一顆銀河系的衛星星系大麥哲倫云中的超新星。根據地球上探測到的中微子,可以推斷它爆發時內部溫度大概有2千億K。

不過,這跟伽瑪射線暴比起來就不算什么了。伽瑪射線暴標志著一個黑洞的誕生,不是巨星的核心坍縮,就是兩顆致密的中子星(當一顆恒星的質量大于十個太陽的質量時,它在演化的晚期就有可能變為一顆密度巨大的中子星)碰撞。在這些過程中引力勢能轉化為了高度集中的伽瑪射線束和其他輻射。雖然具體細節還不清楚,但可以估算發射出射線的火球能達到10000億K。

最冷:連光子都被凍結

空間本身談不上冷還是熱,但在宇宙中的確有很多地方很冷。在太陽系中,已知最冷的地點距離我們很近,就是月球南極區域環形山的底部,因為這里永遠背對著太陽,沒有一絲光線的照射,因此極為寒冷。美國航天局的探測器測量到的溫度是33K(零下240°C),這要比冥王星的溫度還低。當然這個記錄還可能被太陽系中其他衛星或矮行星刷新,只要它們身上也有隕石坑。

宇宙之最

在太陽系外肯定還有更冷的巖石小天體,尤其是那些飄蕩在星系際的空曠區域中的。它們只能得到大爆炸留下的微弱微波的照耀,溫度只有2.7K。

既然整個宇宙都沐浴在微波背景輻射中,它的2.7K是否就是宇宙的最低溫度了呢?并非如此,5000光年外的旋鏢星云溫度僅有1K,這是因為它在快速膨脹,使得溫度降得更低。

最快:真有超過光速的事物

太陽系內運動速度最快的行星是水星,它的公轉速度是48km/s,地球的速度只有30km/s。人類發射的太陽探測器,飛行速度又比水星公轉速度略快,太陽神2號的速度達到了70km/s,而彗星接近太陽的時候速度更快,可以達到600km/s。

銀河系邊緣有些跑得特別快的奇特恒星,速度達到850km/s,理論分析它們可能是被銀河中心的超大質量黑洞在高速旋轉中拋出來的。超大質量黑洞本身的強大磁場會制造出來極快的物質噴流,速度甚至可以達到光速的99%。

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自轉最快的天體大概要數中子星,這些高度致密的天體每秒能轉上千圈,表面速度達到了光速的20%。中子星的磁場也被拖著高速轉動,速度甚至超越了光速。不過這和光速不可超越理論并不矛盾,因為這個理論指的是那些攜帶能量和信息的事物不可能超越光速,而磁場既沒有攜帶能量也沒有攜帶信息。

最明亮的世界

日常生活用的發光強度單位在宇宙范圍內就太小了,所以天文學上用太陽的光度作為單位。

太陽光度在恒星里只能算是中等偏上,肉眼可見的恒星中發光最強的是獵戶座的參宿二,相當于40萬個太陽。而距離遙遠、人眼看不到的船底座η 發出的光是太陽的500萬倍。

2010年7月,天文學家在大麥哲倫云中發現的一顆恒星打破了船底座的記錄,這是一顆超巨星,距離地球大約18萬光年,大小相當于900萬個太陽,比太陽亮1000萬倍,如果把它放進太陽系,它相對太陽的亮度就相當于太陽對月球的亮度差別。

宇宙之最

據推測,這顆超巨星的質量是太陽的250倍,這么大的質量讓傳統的恒星形成理論受到了挑戰。按照傳統的理論,恒星是由宇宙空間中分子云聚集坍縮而成的,當分子云聚集到一定程度時,恒星就再也長不大了。因為這時恒星溫度越來越高,輻射越來越強,并產生向外的光壓,將環繞在恒星周圍的氣體云驅離出去,恒星就此停止生長。所以,恒星的質量總是有一定限度的,科學家們普遍認為,150倍太陽質量是恒星質量上限,質量如此巨大的恒星可謂超出了傳統恒星質量的計算范圍。

星體質量越大,能發出越多的光,而過度的輻射壓力,也將使星體不穩定。質量如此巨大的恒星,會迅速向外輻射巨大的能量,它20秒內釋放出的能量相當于太陽一年釋放能量的總和,因此這顆超巨星發出的光芒格外耀眼。伴隨著能量的釋放,它的質量會迅速損失,最終會形成質量較小的穩態恒星。

不過,也有科學家猜測,這么巨大的質量,可能意味著它是一對距離非常近的雙子星。

某些大質量恒星會發出更強烈的光,但只能持續數周,而代價則是自己的生命,這就是超新星爆發,其中的紀錄保持者是距離我們47億光年外的一顆超新星,它爆發的峰值光度相當于1000億個太陽。

不過,超新星即使拼盡生命閃出耀眼的光芒,比起伽瑪射線暴還是小巫見大巫了。伽瑪射線暴使得太陽光度這個單位也顯得無力了:它的光度可以達到太陽的1018倍。只是這樣的爆發過于短暫了,只能維持短暫的幾秒。

宇宙中最亮的穩定光源是類星體。類星體是一種奇特的天體,從照片看來如恒星但肯定不是恒星,光譜似行星狀星云但又不是星云,發出的射電(即無線電波)如星系又不是星系,因此稱它為“類星體”。

類星體是一種高光度和和強射電的天體,它比星系小很多,但是釋放的能量卻是星系的千倍以上,類星體的超常亮度使其光能在100億光年以外的距離處被觀測到。它為什么如此明亮又如此穩定呢?原來它的中心是源源不斷大量吞噬氣體的超大質量黑洞,物質在螺旋落入黑洞的過程中被加熱到極高的溫度,使得類星體發出相當于30萬億個太陽的光。

最圓:尋找最完美的球形天體

中世紀的時候人們以為宇宙是鑲嵌著日月星辰的完美同心球殼,現在,我們知道宇宙要比這凌亂得多,那么是否還能找到完美的球形呢?

行星們被自身的引力塑造成了相當標準的球形,我們地球的最高點珠穆朗瑪峰和最低點馬里亞納海溝,偏離海平面也不到地球半徑的0.2%。如果不是自轉讓赤道略微凸起的話,地球就是個相當完美的球體了。

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不過跟中子星比起來,地球就顯得極其崎嶇不平了。中子星極高的密度導致它們的表面引力相當于地球的2000億倍,這樣強大的力量幾乎抹平了中子星上所有的坑包。中子星上的“珠穆朗瑪峰”只有不到5毫米高,而它們的直徑一般有10到15千米,這山峰的高度不到半徑的一百萬分之一。

在宇宙中,最接近完美球形的是黑洞的視界,但這并不是個實實在在的球面,它只是黑洞勢力范圍的標志,任何物質哪怕是光,一旦踏入這個標志內的區域,都再也無法逃脫。

最暗:暗淡星系中的暗物質

在我們的印象中,星系宇宙中閃爍的珠寶,鑲嵌著億萬明亮的恒星和星云。然而,某些星系卻是黯淡無光的。2006年,天文學家發現了一個距離我們75000光年的矮星系。在星系的世界中這個距離是非常近的,而之所以這個銀河系的鄰居一直默默不聞,就是因為它實在太暗了,發出的光僅有太陽的300倍。

而這是非常奇怪的,它的恒星旋轉速度非常快,這意味著星系的引力相當強,質量至少相當于1百萬個太陽。可是,既然它的光度相當于300個太陽,其中恒星的質量加起來也就數百個太陽,而氣體、塵埃等星際介質的質量就更小了。把這些所有普通物質的質量加起來,量級也不過是數百個太陽質量,比整個星系的質量小太多。這說明這個星系大部分是由奇異的暗物質組成的,這類物質不同于我們日常所見的由質子、中子等組成的普通物質,而是一些不參與電磁力作用的特殊粒子組成的。它們不能發光,所以得名為暗物質。

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按照星系結構形成理論,當銀河系形成的時候,周圍應該遺留著許多小團暗物質。所以,很可能在銀河周圍還存在著很多這樣以暗物質為主的矮星系,由于發光太弱所以一直沒有被發現。

宇宙中還可能存在靠暗物質衰變釋放能量來維持生命的暗恒星,它們出現在宇宙早期,可能直到現在依然存在,它們是最暗的恒星。天文學家想要找到它們,恐怕要費不少心力吧。

最致密:連粒子都要被壓碎的黑洞

地球表面常溫常壓下密度最大的物質是金屬鋨,每立方厘米22克。而從微觀尺度看,鋨也是非常疏松的,因為組成它的原子內部其實是非常空曠的,電子云把致密的原子核遠遠地分隔開。

在大質量恒星坍縮了的核心——中子星里面情況就截然不同了。在高壓下,物質的結構變成了某種超級致密的奇異形態,幾乎完全由中子組成,這些中子和少量質子臉貼臉的擠在一起。在中子星中心,這些“中子星物質”的密度達到了每立方米1018千克。

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中子星物質應該就是宇宙中密度最高的物質形式了。不過,由它們組成的中子星可不是密度最高的天體,把中子星進一步壓縮,它還可以變成黑洞。黑洞是質量越小密度越大,已知最小的黑洞質量只有太陽的3.8倍,密度和中子星一樣也達到了1018千克/立方米。宇宙中肯定還有更小的黑洞,它們的密度必然超越中子星。

黑洞視界之內是更加奇異的世界,按照相對論,黑洞所有的質量都集中在密度無限大的一個幾何點上。不過在這里相對論本身已經不適用了,根據更新的量子引力理論可以得到一個密度上限,即普朗克密度——5 × 1096千克/立方米,宇宙中應該不會有比這更致密的東西了。

最大的星星有多大?

最大的行星:太陽系中,木星個頭最大,其的質量是地球的318倍,比其它七大行星(冥王星已經被天文學家開除出行星行列)的質量總和還要多2.5倍以上,而體積則是地球的1321倍。像所有大個頭的行星一樣,它是由氫和氦組成的氣態巨行星。

但如果我們把范圍擴展到太陽系之外,木星就不是最大的行星了,目前發現的最大的氣態巨行星是距離地球1500光年的一顆,它的直徑是木星的1.8倍。奇怪的是,它的質量只有木星的88%,這使得它的密度只有0.2g/立方厘米,比軟木塞還要輕。

最大的恒星:這里說的是體積最大的恒星,而不是質量最大的恒星。距離地球5000光年的大犬座VY,據估計它的直徑有30億千米,能裝下80億個太陽,裝幾個紅超巨星也不在話下。不過這個數據是有爭議的,也有人認為它不過是一個直徑10億千米的普通紅超巨星。

這些體積巨大的恒星,都是恒星在進入晚年時膨脹起來的紅巨星。我們的太陽也會在50億年后變成紅巨星,屆時它膨脹的體積將會吞噬掉地球。

最大的星系:根據星系形成的標準模型,最大的星系是那些由許多小星系合并而成的巨型橢圓星系。已知其中最大的一個星系是透鏡形狀的,這個星系的直徑大概有600萬光年,體積相當于銀河系的數千倍。它的質量相當于 100多萬億顆太陽的總和,是銀河系的2000多倍。

這個星系距離我們10億光年遠。

最大的洞:這說的不是黑洞,而是宇宙中廣闊的黑暗區域。大尺度觀測發現,星系都分布在延伸幾億光年的巨大墻狀結構上,以及墻與墻的交界處,在這些墻之間則是巨大的空洞。已知最大的空洞范圍超過了10億光年,有人猜測這是我們的宇宙和另一個宇宙碰撞留下的痕跡。

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