“古代天文學(xué)，以天體測(cè)量為主，主要研究天體在空間的位置及其運(yùn)動(dòng)；至牛頓時(shí)代，牛頓創(chuàng)立牛頓力學(xué)，使天文學(xué)出現(xiàn)了一個(gè)新的分支——天體力學(xué)，這是天文學(xué)發(fā)展歷史上的一個(gè)巨大飛躍；以愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)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(guó)際天文年”來(lái)臨之際，中國(guó)天文學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)、中科院國(guó)家天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)趙剛博士，就現(xiàn)代天文學(xué)前沿?zé)狳c(diǎn)問(wèn)題，應(yīng)邀接受本報(bào)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(gè)世紀(jì)30年代，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者密立根，曾致力于將位于美國(guó)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(jī)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(tuán)內(nèi)星系的運(yùn)動(dòng)，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(tuán)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(gè)，而是幾百個(gè)、上千個(gè)、幾千個(gè)，那么就稱為星系團(tuán)。星系團(tuán)中成百上千的星系，因被自身引力束縛，運(yùn)動(dòng)速度與引力必須達(dá)成平衡才不致出軌；而且引力越強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)速度越快。然而，茲威基發(fā)現(xiàn)，星系團(tuán)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(jiàn)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(gè)星系團(tuán)附近時(shí)，光線就會(huì)因星系團(tuán)引力偏折，這時(shí)的星系團(tuán)就好似一個(gè)透鏡，朝這個(gè)方向望去就會(huì)看到巨大的光弧甚至同一個(gè)星系的幾個(gè)不同鏡像。

　　1990年，美國(guó)航天飛機(jī)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(cè)資料，人們計(jì)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(tuán)，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(tuán)年齡小。

　　后來(lái)，一個(gè)意外發(fā)現(xiàn)震動(dòng)了科學(xué)界。天文學(xué)家稱為Ia型的超新星，因其爆炸時(shí)發(fā)出光的亮度是固定的，故可作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)燭光。知道了標(biāo)準(zhǔn)燭光，再用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)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(gè)獨(dú)立天文研究小組幾乎同時(shí)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?yàn)槿f(wàn)有引力對(duì)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?cè)瓉?lái)想象的要長(zhǎng)，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(qiáng)。

　　“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(huì)”在北京人民大會(huì)堂舉行，1957年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者、美國(guó)哥倫比亞大學(xué)教授李政道在演講中提出上述觀點(diǎn)。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(xiàng)方興未艾探索：地外智慧生命

　　火星被認(rèn)為是太陽(yáng)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(yùn)河”的“發(fā)現(xiàn)”曾熱遍全球。人們推測(cè)，火星上既然有人工運(yùn)河，就一定會(huì)有火星人。此后于20世紀(jì)初掀起的認(rèn)識(shí)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(zhǎng)140分鐘，近2.5小時(shí)；火星劃分5個(gè)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(guó)航空航天局先后發(fā)射兩艘無(wú)人飛船海盜一號(hào)、海盜二號(hào)，在火星表面開(kāi)展3項(xiàng)尋找生命實(shí)驗(yàn)即放射性同位素示蹤、光合作用和呼吸作用生物學(xué)實(shí)驗(yàn)。3個(gè)實(shí)驗(yàn)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(méi)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(jí)生命，只是對(duì)人類精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)沒(méi)有反應(yīng)。

　　太陽(yáng)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(yáng)系外，銀河系其他類似太陽(yáng)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(yáng)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(wàn)年時(shí)間，而生命很難在如此短的時(shí)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(guò)程發(fā)生。然而，繞恒星運(yùn)動(dòng)太近的天體將被引力場(chǎng)俘獲，在自轉(zhuǎn)制動(dòng)下，它們總是以一側(cè)相對(duì)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(qiáng)烈的星風(fēng)亦難使兩側(cè)溫度達(dá)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(yáng)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(jì)學(xué)視角研究行星形成機(jī)制及其在銀河系演化中所起作用。

　　人類即使探測(cè)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(gè)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(wèn)題：星系形成與演化

　　宇宙從何而來(lái)？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(xiě)的《宇宙大爆炸》一文，回答這一問(wèn)題。

　　300多年前，牛頓認(rèn)為：宇宙永恒存在，且空間無(wú)邊無(wú)際。20世紀(jì)，一些科學(xué)家包括愛(ài)因斯坦、勒梅特、伽莫夫等，徹底顛覆了這種見(jiàn)解。經(jīng)研究和觀測(cè)證實(shí)，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(jìn)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(ài)因斯坦提出狹義相對(duì)論；10年之后，他又提出廣義相對(duì)論。相對(duì)論同量子論一起推動(dòng)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(wèn)題，曾展開(kāi)一場(chǎng)大討論。就在這時(shí)，天文界新秀埃德溫·哈勃來(lái)到美國(guó)威爾遜天文臺(tái)。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(dá)幾十萬(wàn)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(duì)其分類，又得出第二個(gè)重要結(jié)論：星系看起來(lái)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(gè)初步結(jié)論后來(lái)被更多觀測(cè)所證實(shí)，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(gè)膨脹氣球上的斑點(diǎn)，隨膨脹而退行已達(dá)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(cè)依據(jù)。

　　1946年，一位移居美國(guó)的蘇聯(lián)科學(xué)家探索宇宙中基本元素如何形成問(wèn)題。他堅(jiān)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(huì)完全消失。

　　這一預(yù)言被后來(lái)的觀測(cè)研究證實(shí)：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(duì)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(lái)電磁輻射而毫無(wú)反射和透射的理想物體。黑體發(fā)出的輻射在不同波長(zhǎng)上的分布，僅與黑體溫度有關(guān)。

　　1989年的一個(gè)早晨，美國(guó)航空航天局將COBE衛(wèi)星送上太空。COBE最初9分鐘的觀測(cè)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(jìn)一步得到證實(shí)。

　　兩名美國(guó)學(xué)者約翰·馬瑟和喬治·斯穆特，根據(jù)COBE衛(wèi)星測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，宇宙微波背景輻射與絕對(duì)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(shuō)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(jiǎng)授予美國(guó)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(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)發(fā)布的公報(bào)說(shuō)，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。