【太空请回答】光谱:是它帮人类发现了宇宙大爆炸

俄罗斯航天集团在拜科努尔发射场用“质子-M”运载火箭将俄罗斯与德国合作制造的“光谱-RG”太空望远镜送入预定轨道。“光谱-RG”是一个X射线望远镜,计划将在未来大约7年时间内扫描宇宙并发现大量星系团和位于活动星系核内部的超大质量黑洞。在众多望远镜中,以“光谱”二字命名的并不多,那么什么是光谱?为什么要观测天体的光谱?

不同光子按波长排列的游戏

从地球上的焰火到太空中的星星,很多物体都能发光。这些物体除了发出我们可见的光之外,还常常会发出我们肉眼看不到的“光”,比如伽马射线、X射线、紫外线、红外线与无线电波——即天文学中所说的射电波。所有种类的光,都是电磁波中的一种。

光同时具有粒子与波的特性,它们都由光子构成。同一个物体可以发出具有各种波长的光子,不同能量与个数的光子具有不同亮度。如果我们用一种仪器将一束光按照波长分解,就可以得到各个波长上光的亮度,这就是光谱。据此画出的图就是光谱图。将物体发出的光分解为光谱的仪器就是光谱仪,也被称为分光仪。

大自然中的水汽和简单制作的玻璃三棱镜分别是天然与原始的光谱仪,它们可以将白色的阳光分解为7种颜色,这就是阳光中的可见光的光谱。专业的光谱仪使用的是精细制作的三棱镜或者光栅,会将每个颜色分解到更精细的波长范围,并测出每个波长范围内的光的亮度,从而获得精确的光谱。从中,人们可以获得大量重要的细节信息。

了解天体化学组成的探针

天文学家研究光谱的第一个作用是确定天体的化学组成。以太阳为例,天文学家很早就发现,太阳光谱是连续谱,但中间嵌着数百条黑线。深入的研究揭示出这些黑线的物理本质:太阳大气层下方的各类元素发出各种波长的光,这些光穿过太阳大气时,一些波长的光被太阳大气中一些与其相同的元素吸收,因此比其他波段上的光暗得多,从而形成吸收线,即暗线。

每一种元素发出的光都有对应的波长,就如同人的指纹一样。如果发现太阳光谱中的黑线对应的波长与地球实验室里测出的氢发出的光的某几种波长相等,就可以判定太阳上有氢元素。根据这个原理,天文学家确认出太阳大气中的上百种元素及其含量。上述原理不仅可以用于确定太阳中的元素与含量,还可以应用于其他恒星、星系、行星、天然卫星、分子云以及各种各样的天体爆发事件。只要我们能够获得这些天体或者天体系统的光谱,就可以根据它们的光谱中的吸收线——类似于太阳光谱中的黑线——的波长,判断出它们含有哪些元素以及每种元素的含量。天体光谱就如同天体的指纹。

谱线红移揭示宇宙奥秘

对天体光谱进行分析,不仅可以得到天体的化学组成信息,还可以判断出天体的运动速度。光波和声波一样,遵循“多普勒效应”:波源与观测者接近时,波被压短,也就是“蓝移”;波源与观测者远离时,波被拉长,也就是“红移”。根据压缩与拉长的程度,可以定量计算出波源靠近或者远离的速度。

根据这个原理,天文学家将测出的光谱与实验室里元素发光的光谱比较,得到其红移或者蓝移的数值,进而计算出恒星与星系相对地球的运动速度。尤其重要的是,天文学家发现大多数星系在远离地球,结合这些星系的距离,天文学家推断星系的退行速度与距离成正比,这意味着宇宙在膨胀。倒退回去,宇宙起源于一个极小的点。它在100多亿年前发生了大爆炸,然后开始膨胀。这些惊世骇俗的结论都是在光谱分析的基础上得到的。

此外,如果一个恒星周围有行星环绕,行星的引力将使恒星做椭圆运动,地球上的观测者就可能探测到恒星运动导致的光谱红移与蓝移交替出现,从而判断出这颗恒星周围有行星。利用这个方法,天文学家发现了几百颗太阳系外的行星,即系外行星。

在人造卫星上天之前,天文学家只能探测到天体发出的可见光、近红外辐射与部分射电波的光谱,无法精确测量。而星系团与星系内的大量炽热气体以及一些高能爆炸天体现象都会发射出大量X射线与伽马射线辐射,一些低温天体发出的光以红外线为主,这些都无法用传统的望远镜与射电望远镜观测,也就无法分解出对应波段的光谱。

人造卫星上天之后,天文学家在人造卫星上放置X射线与伽马射线探测器,甚至直接发射紫外线望远镜与红外线望远镜到太空,终于可以精确测量天体发出的中/远红外线、紫外线、X射线与伽马射线并得到它们的光谱,从而实现了“全波段天文学”的宏大目标。“光谱-RG”便是其中一员。

#国家公务员考试# #行测备考# 【13条农业气象谚语】

1、天上钩钩云,地下雨淋淋

天上钩钩是指天空出现一端成为钩状的洁白云丝,这种云一般产生在锋面的前部,因此预示着锋面即将到来,将来可能有雨。

2、鱼鳞天,不雨也风颠

鱼鳞天,是指天空中的云彩像鱼鳞一小朵一小朵排列在天空,在气象上称这种云为高积云,它多产生在低气压的前部,一般表示未来二十四小时后有低气压北上,天空不太稳定,天气将转坏,即使不下雨也要刮风。

3、日落乌云涨,半夜听雨响

日落之处,乌云接驾,这乌云实际是一种低云,颜色黑,说明西方的或西南方、东南方的阴雨正在迅速移来。

4、连起三场雾,小雨下不住

连续几天有雾,说明本地正处于冷暖空气交锋地带,暖空气中水汽充沛,冷空气又导致降温,是生成雾的极好条件,而冷暖空气的交锋往往带来阴雨天气。

5、日出一点红,不雨便是风

日出时呈红色,说明空气中水汽甚多(太阳光经过水汽时,发生散射,只有红光能够射到我们眼中),如此丰富的水汽一般是阴雨天气造成,故为风雨将临的征兆。

6、早看东南,晚看西北

大气中的空气也随地球自西向东运动。晚看西北,如果西北天空黑云滚滚,说明未来要有降水过程移入本地,天气将转坏。如果西北方是晴天,则未来天气将转好。早晨起来看东南,如东边天气好,这说明坏天气将过去,未来天气晴好;如果东边天气不好,很可能随着南边的天气向北发展,天气逐渐转坏。

7、有雨山戴帽无雨云拦腰

云盖住山顶,叫“山戴帽”。云层挡住山腰,可见山顶,叫“云拦腰”。当阴雨天气来临时,云层比较低,云底盖住山顶。云层越厚,云罩山越低,表明空气中的水汽越多,这就越容易形成雨天。但是,如果山戴帽了,云层不增厚;或者在雨后出现的云抬高的“山戴帽”,就不是有雨的预兆。所以有“有雨山戴帽,快晴帽抬高”的说法。拦腰的云,一般都是由于夜间冷却生成的地方性云。云层不厚,当太阳升高后,云也就消散了,所以“云拦腰”未来是晴天。

8、乌头风白头雨

“乌头”与“白头”是指两种云的云顶颜色来说的。“乌头”是浓积云的一种,“白头”是积雨云的一种。这两种云常在夏天出现。“乌头”云,云底平,顶部隆起,主要是由水滴组成,云中小水滴吸收和散射了部分太阳光,使云底和云顶显得浓黑。“白头”云顶部凸起,由于空气对流旺盛,垂直发展很快,云越来越伸高,云顶扩散,发展非常旺盛,不久就占据了大部分天空,云顶是冰晶结构,所以呈白色。

9、东虹云彩,西虹雨,南虹出来晒河底

民间解释:东方、南方出现彩虹,说明天晴了,都是好天气,西方出现彩虹就要下雨。专家解释:彩虹一般出现在雨后,尤其是雷阵雨后。东方出现彩虹,就说明东方的云水汽丰富,水滴也大。在北半球,除了台风这种天气系统以外,其他天气系统都是自西向东影响我省。所以东方出现彩虹,雷雨就远离我们这儿了。同样道理,西方出现彩虹,主要的天气系统还是自西向东影响我省,如果不下雨就怪了。而南方出现彩虹,就说明雷阵雨在南侧,已经偏南移,所以就会出现高温、少雨、干旱的情况。

10、“雷公”先唱歌有雨也不多

夏天,烈日当空,地面受到强烈的日光照射,使局部地区的空气受热膨胀变轻,并夹带大量的水汽上升,水汽升到天空变冷便凝结成云。这种云叫做地方性的对流云,它的范围不大,又是移动的。对流发展旺盛,便形成带电的雷雨云。这种云在远处打雷下雨,我们就只能听到雷声。在近处也只下场阵雨,一下子过去,雨过天晴,所以“有雨不多”。也称“未雨先雷,有雨不大”。

11、久晴西风雨,久雨西风晴

在天气久晴的情况下,虽有来自海洋的暖湿空气,如不经冷空气抬升,也不易降雨;若此时有西北来冷空气,暖湿空气受抬升,便容易成云致雨。如果在久雨的情况下,有西北风吹来,将把本地暖湿空气赶出去,因之天气就会很快转晴。

12、日晕三更雨,月晕午时风

晕是日、月光穿过卷层云中的冰晶时,由于折射而形成的彩色光圈。而卷层云通常出现在锋面前部,在它的后面,就是锋面所造成的云雨区。所以,日、月晕的出现,就意味着风雨天气即将到来。并不是说,出现日晕必有雨,出现月晕必刮风。

13、星星眨眼,有雨不远

夏天夜晚天空星光闪烁不定,说明大气扰动剧烈,预示不久将有风雨出现。星从哪方开始闪动,风雨就从哪方来。如满天星斗闪动,风雨就有可能在天明来临。

比火星好?太阳系中被发现另一处栖息地,水、氧、氮资源丰富
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移民火星
随着地球人口数量激增,自然环境越来越差,各种资源也面临着日益枯竭的危险,人类必须谋求新的出路,来保证以后的长远发展。

有人提出了移民火星计划,希望能够在火星建立新的家园,安置未来的人类。
不过移民火星也没有大家想象得那么简单。因为火星的重力只有地球重力的38%,所以人类在火星上很难适应低重力的环境。再加上人类从地球出发到火星的时间至少需要半年以上,在这半年里,人类始终在始终环境的飞行器当中。人类还没有抵达火星,身体里的钙质就会流失十分之一。而目前,人类还没有研究出失重、低重力环境下疾病的预防和治疗方法。

另外,火星的温度非常地低,常年平均气温都在-85℃~5℃之间,这样的环境比地球上最冷的南极还要冷。人类移民火星就相当于在“南极”重新安家。人类移民火星以后,需要花费大量的成本去模拟地球的常温环境。
而且火星的大气压很低,根本无法让人类正常生存。再加上火星上二氧化碳分压是地球二氧化碳分压的二十多倍,所以人类在火星直接呼吸空气肯定会发生二氧化碳中毒事件。最重要的是,火星的大气浓度含量只有地球大气的1%,如此稀薄的大气层根本无法保护人类在火星安居乐业。

移民谷神星
如此看来,火星移民计划几乎是一个不可能完成的梦想。但是在太阳系除地球外的八大行星里,再也找不出比火星还要适合人类生存的星球了。如果火星作为最后的希望都无法移民成功,那人类移民外星球的美好幻想是否就此破灭?
答案是否定的,因为科学家在太阳系的另一处又找到了一处栖息地,这里不仅有人类赖以生存的水和氧气,就连大气层最主要的气体氮气都非常丰富,这颗星球就是谷神星。

谷神星是位于火星和木星轨道之间的一颗小行星,它也是这个范围里主小行星带当中最亮的天体,因为从地球上看谷神星时,它的视星等范围能够达到+6.7~+9.3之间。同时,直径945千米的谷神星也是海王星轨道范围以内体积最大的小行星。因为谷神星的亮度和体积都比一般的小行星大,所以在地球上,人类可以通过肉眼直接看到这颗明亮的星星。
作为海王星轨道内的唯一一颗矮行星,谷神星在太阳系内并不算一个“大块头”,因为太阳系内比谷神星体积大的天体多达34颗。科学家认为,由于木星质量太大,所以巨大的引力导致周围的物质都被“清空”,这才导致谷神星没能“成长”成一颗体积更大的行星。

不过作为人类第一个发现的小行星,谷神星的小行星序号是1 Ceres,而且它的质量占整个主小行星带的三分之一。根据有关资料显示,谷神星由岩石、核以及固态水结构的地幔组成。科学家推测,在地幔之下有可能是液态核心。所以谷神星在人类眼里,也是目前小行星带里能够达到流体静力平衡的唯一天体。

2021年1月,芬兰天体物理学家、生物学家裴卡·詹纽恩在《纽约邮报》发布了一篇报告,引发了众多科学家的研究和讨论。
裴卡认为,谷神星主要由岩石和冰组成,这些物质都可以帮助人类在这里建立长时间生活的基地。而且因为谷神星是小行星带中最大的天体,形状也接近球体,再加上自身能够达到流体静力平衡,所以可以作为移民星球的选项。
更重要的是,谷神星有氨、硫酸镁、硫酸水合物、黏土以及液态水存在,科学家甚至在2017年发现这里有碳基有机化合物存在,这就说明谷神星或许比火星更宜居。

尽管谷神星富含的氮气可以成为人工制造大气层的原料,丰富的资源也可以被人类开发利用。不过他觉得在移民谷神星之前要对其认真改造。
裴卡表示,谷神星的重力只有地球重力的三十分之一,所以想要移民谷神星首先要对其进行重力改造。我们可以在谷神星周围发射人造卫星,然后借助带有磁力的介质把围绕在谷神星周围的人造卫星连接起来。这些连接起来的卫星就形成了巨大的磁场,从而制造出与地球重力差不多大小的引力环境。

不过人类最终的移民地点并非谷神星的表面,而是围绕谷神星运行的人造太空舱组成的超级卫星上。在裴卡的报告里,他还详细描述了自己构思的未来移民空间状态。他表示,超级卫星是一个飞盘状的结构,从中心到四周的半径则是独立的圆柱体太空舱。
人类想要在这个超级卫星长时间生活,需要到谷神星捕获物质作为人类可以利用的资源。比如将谷神星富裕的水资源输送到太空舱内供人类饮用和生活。人类还可以将谷神星的氮气转换为人类生存必须的人工大气。

为什么人类选择了谷神星?
自人类初次有了移民外星的计划后,美国、荷兰等多个国家的航天公司,都表示愿意尝试火星移民。人类之所以不约而同地选择火星作为移民的星球,主要是因为火星有着其他星球无法比拟的优势。
首先是距离问题。目前人类根本不可能飞出太阳系,因为制造的航天飞行器虽然能够有较高的速度,但是乘坐飞行器从地球到另一个星球的时间仍然需要很久。

所以人类选择移民星球的时候只能从身边距离比较近的星球开始着手。在最近的几颗行星里,火星距离地球第二近,仅次于金星。但是火星的条件要比金星好太多。
其次是条件问题。火星是太阳系内除了地球以外最适宜人类居住的星球,主要原因有以下几点:
1.火星上度过一天和地球上度过一天的时间相似,火星上度过一天是24小时39分35.244秒。

2.火星表面积不算小。虽然火星的表面积 只有地球表面积的28.4%,直径也只有地球的一半,但是它的体积远超于月球。而且它的宜居优势也让面积问题不算尖锐。
3.火星的转轴倾角和地球的转轴倾角只相差不到2°,所以火星也有分明的四季。
4.火星有丰富的水资源,除了地下水冰以外,火星的两极在夏天还有液态水。

5.火星上有丰富的矿物质,这些矿物质可以用于人类在火星建造基地。
6.火星上没有沙尘天气,太阳能电池板可以工作很久。人类如果真的移民火星,可以将太阳能作为主要能量来源。
7.人类在对火星的地质研究时发现,火星的土壤里有含量较高的高氯酸盐,人类可以通过一定方法用它来制取氧气。
在火星有了如此大优势的前提之下,人类为什么又将目光瞄准了谷神星呢?除了文章开头提到的一些火星自身的劣势以外,谷神星还有一些完胜火星的优势。
第一点同样是距离问题。我们知道距离太远的星球即便比地球更宜居我们也无法到达,所以距离问题将直接决定我们是否会放弃移民外星。但谷神星虽然有着比火星更优渥的生存条件,但是它与地球之间的距离几乎和火星与地球之间的距离相等。
第二点是大气环境。由于火星大气稀薄,所以人类如果去火星建立生活基地,需要自己制造大气压强,同时还要忍受因为大气稀薄造成的温度极低、辐射极强、小行星撞击等问题。

但是谷神星虽然同样没有地球这样厚的大气层,但是它有大气层中含量最高的氮气。也就是说,如果我们能够将这些氮气改造成人工大气,以上的问题就能迎刃而解。
第三点是重力因素。人类在地球上生活了太久,一旦进入一个无重力或者低重力的环境可能会出现失眠、焦躁、钙质流失等问题。但是火星上的重力比地球低得多。而在谷神星建造超级卫星,可以通过磁力和离心力人工制造出重力环境。

移民谷神星的美好构想
根据裴卡的美好构想,人类未来在谷神星附近会建造出这样一个天体。在谷神星周围的轨道上,运行着一个人造卫星。卫星上是涂着高反射物质的两块巨大的金属。这两块金属与中心的太空舱分别有45°的夹角,可以像镜子一样反射阳光并照射到太空舱。

太空舱则是像是深林里笔直的“大树”,而且这些“大树”的数量可以根据人口增长而不断增加。这些太空舱密集地排列在一起,舱体之间靠着磁悬浮互相保持距离。每一个太空舱长10公里,直径2公里,每个里面都能容纳5万以上人在内生活。太空舱每66秒自转一圈,虽然这样的自转速度可能会导致刚去这里生活的人类有眩晕感。但是这样高速自转的环境能够有效产生和地球类似的重力。
太空舱内部不仅有人类生活所需的常见物质,甚至还有1.5米厚的土壤帮助人类种植植物。一方面,这些植物可以通过光合作用制取氧气,另一方面,植物还可以作为食物供人类果腹。

裴卡表示,或许在十五年之内,人类就可以踏上去谷神星殖民的道路。不过,现在科技发展如此迅猛,说不定用不到十五年,人类就能实现移民外星的愿望。届时,平凡的你我都有可能是移民外星球的人选,而我们每一个普通人,都将成为历史的见证者。


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