天文学领域耐人寻味的十三个悬念

太阳温度的逆转之谜？

太阳的内部每天都在发生猛烈的核聚变反应，它的中心温度高达1500万摄氏度。但当其高温传递到太阳表面时，温度降至为6000摄氏度。令人匪夷所思的是，位于太阳上空约2000公里处的“日冕”温度却又升至100万摄氏度，整个太阳的上空被比其表面温度高100多倍的日冕所包围。虽然日冕的部分热量会影响太阳表面，但其温度就是难以上升。仅为6000摄氏度的太阳表面温度却能使日冕升温到100万摄氏度，原因何在？天文学家对此甚感迷惑。

我们肉眼看到的太阳仅是一个耀眼的“光球”而已，但当用X射线望远镜观测时，就能发现明亮无比的“光球”上布满了“黑子”。天文学家推测，“黑子”实际上就是太阳上的“磁场之巢”，正是这些“黑子”导致了日冕的高温。目前天文学家们颇费思量的是，磁能究竟是以何种形式转化为高温的。

计划于2006年发射的太阳观测卫星“SOLAR—B”能“直接”看到太阳内部的磁场，届时很有可能揭开“太阳温度的逆转现象之谜”。

太阳系的边缘在哪里？

1992年以来，天文学家在太阳系最外侧的行星——冥王星周围不断发现小天体。这些小天体以带状分布在距太阳30~50天文单位的内侧（1天文单位约为1.5亿公里）。最近，又在其外侧发现了大小可与冥王星匹敌的天体，引起了人们的关注与兴趣——太阳系的边缘究竟在哪里？

分布在距太阳30~50天文单位之处的天体简称“EKBO”，天文学家都知道冥王星是“EKBO”的同类，但却不将其视为行星中的微行星。所以部分天文学家认为，冥王星也不能算作真正意义上的行星。由于国际上对行星尚未有一个明确的定义，因此似乎还不能将冥王星降格为“EKBO”。相反，即使发现的“EKBO”大小可与冥王星匹敌，也不会认定它是一颗行星（但若“EKBO”的体积相当于火星，那就另当别论了）。

天文学家最近又发现了一颗被称为“2003VB12”的小天体，它与以前发现的“EKBO”不同，是运行在远离太阳50天文单位距离的轨道上。这就意味着在这样的远处可能存在着大量的小天体，甚至有可能存在着体积与火星相当的天体。

在浩瀚的太阳系确实已有很长时间没有发现新的行星了。日本的“昂团星”望远镜迄今已发现了30余颗“EKBO”，对于探索太阳系的边缘做出了一定的贡献。随着今后的进一步观测，当火星般大小的天体被发现时，也许太阳系边缘之谜将被揭晓。

“第二颗地球”在哪里？

1995年，当人们首次发现太阳系外的行星系后，又接连发现了140余个系外行星系。奇怪的是并未发现类地行星，似乎都是些类似于木星的巨大行星。但是，天文学家从未放弃过对“第二颗地球”的搜寻。

天文学家认为，太阳系行星诞生于原始太阳周边的被称为“原始行星系圆盘”的气体云和尘埃。20世纪80年代人们间接地发现了原始行星系圆盘，最近，“哈勃”太空望远镜已能直接对其观测，特别在近期也发现了旋转中的盘状气体云。所以说，行星系诞生于旋转中的气体云和尘埃的理论是毋庸置疑的。

然而，在发现的140余个行星系中没有一个行星的位置排列类似于太阳系。近年来的理论计算似乎得到这样一个结论：原始行星系圆盘中的气体云和尘埃量的差异决定了行星的位置排列。由于观测手段的局限，现在的技术尚无法直接发现系外行星系中的行星。目前，由美国、欧洲、日本等国共同建设中的ALMA（阿塔卡马大型毫米波干涉仪）能够直接“看”到行星的形成现场，相信随着行星多样性起源研究的深入，我们有可能发现“第二颗地球”的诞生地。

银河的诞生过程？

根据最新的理论，宇宙诞生于约137亿年前。现在已得到确认的最遥远天体是128亿年前（宇宙诞生后9亿年）的银河。以现有的技术目前还无法了解到比之更久远的银河，因此也无法得知银河诞生时——原始银河是何时、如何产生的？

“眺望”宇宙的过去与“眺望”遥远的宇宙是一回事。以我们的近邻仙女座银河为例，它处于距地球230万光年处。也就是说，它的“倩影”传递到地球需要230万年，所以，我们今天看到的只是230万年前的仙女座。同样，我们看到的130亿光年处的宇宙就是130亿年前宇宙的古老面貌。因此，天体离我们越远，观测越是困难。即便如此，天文学家还是在2002年7月拍摄到了宇宙诞生后约9亿年的银河面貌。

目前，天文学家正着眼于距今约80~50亿年前“极红银河”的形成过程的研究。“极红银河”如同我们今天在宇宙中看到的那种已成熟的银河。天文学家认为，虽说是成熟银河，但还是银河的年轻时期，目前正处在互相碰撞、合并向更大的银河演化的阶段。现在感到迷惑的是，为什么在天体不很繁华的区域也会有已成熟了的银河。当然，如果能观测到原始银河的“临盆”现场就能解开这一谜团。新一代大型光学红外望远镜JELT正承担着此任，它的观测目标就是原始银河及宇宙中最早诞生的恒星。

计算机模拟能揭开银河的形成之谜吗？

在原始银河诞生之后经过了130亿年的今天，宇宙中存在着形状不同的银河，是什么原因产生不同的形状呢？另外，我们的银河系又是如何成为今天的旋涡状的呢？

要解开这些谜，首先必须了解银河的演化史。为此，天文学家长年累月地尝试用计算机模拟来了解银河系的形成，但至今尚未有成功之例。日本国立天文台正着手“银河创生研究项目”，拟用10亿个粒子作为恒星及气体云进行模拟，以期重现银河的过去、现在，乃至未来的面目。

前些时间，日本国立天文台天文学数据分析中心用200万个粒子模拟银河系的形成过程。模拟结果认为：因气体云的收缩而产生了大量原始银河那样的小星团，它们之间不断地碰撞、合并而逐渐壮大。之后，成长中的年轻银河开始旋转形成圆盘，进而，在这扁平的圆盘中心产生了一个类似荷包蛋形状的“隆起”结构，圆盘而呈现为旋涡那样的薄层结构，并进化为我们今天在宇宙中实际观测到的旋涡状银河。

目前所做的计算机模拟最多用了200万个粒子，实际上宇宙中约有1000亿个银河，若要忠实地再现银河的形成过程，必须要增加模拟粒子的数量。

我们期待着“银河创生研究项目”能成功地再现银河系，真正揭开我们银河系的旋涡形成之谜。

比我们银河亮100倍的银河

宇宙中存在着1000亿个以上的银河，令人不可思议的是其中十分之一的银河中心（区域）发出的光极其明亮，天文学家认为，这样的亮度是由中心核产生的，是一种很有趣味的现象。

从近年的观测了解到，在中心核极为狭窄的区域有一个100万~10亿倍太阳质量的巨大黑洞。当周围的气体云掉入黑洞时，引力能以X射线或紫外线的形式向外释放，从而产生了极其明亮的光辉。

黑洞从中心核吸入气体云，有时中心核会发生一种叫做“喷流”的现象“，喷流”也会使银河的中心核变得明亮。但是，现在还不了解“喷流”形成的原因。

在高亮度银河中，发生“喷流”现象的有很多，有的喷发出来的气体可形成长达1000万光年的“尾巴”。当用射电望远镜对这类银河进行观测时，能够看到被喷发出来的气体“尾巴”。这是因为气体中的电子在围绕磁场旋转时发出了大量的电波，由此可以推测，磁场对“喷流”的形成起了重要作用。

总之，要知道亮度的奥秘，必须要对银河的中心核进行周密地观测，目前计划中的射电天文卫星VSOP2正承担着对巨大黑洞的“轮廓”进行拍摄的使命。

银河的未来？

通过对银河如何演化的计算机模拟计算，了解到银河是由年轻的同类银河反复碰撞、合并成长起来的，实际上宇宙中成熟的银河同类之间也会发生碰撞。是否可以这么认为，唯有碰撞才是银河演化的基本条件。但问题是银河今后还会继续碰撞下去吗？

红外波段亮度等同于类星体的ULIRG——大光度红外银河的存在也许会给人某种提示。从观测的结果推测，约80%的ULIRG是正在碰撞中的、或者说是留有曾经碰撞痕迹的银河。由于ULIRG被浓厚的尘埃所覆盖，无法见到可见光，但这些尘埃被内部的炽热之光“烘烤”而发出“熠熠生辉”的红外波段。

部分天文学家认为，产生亮度的原因有两种可能性，一是来自于银河同类的碰撞而新生出大量的恒星，再就是来自于银河同类中心核合并而新生的活动银河核。

如果因碰撞而使银河之间互相合并形成新的活动银河核，那么就有可能通过这种碰撞生成更加巨大的黑洞，这似乎与银河的演化也有很大的关系。最近，从其他的观测中得知，盘状银河中心的“隆起”与黑洞的大小具有一定的相关性。“隆起”的大小也关系到银河的成长，并且所有的银河中心都有一个巨大的黑洞。

换言之，所有银河都是由碰撞演化而来的剧情似乎是顺理成章的，或许ULIRG正是反映了演化过程中的银河真面目。

伽玛（γ）暴的本质是什么？

宇宙大爆炸之后γ暴是宇宙中最大规模的暴发现象，γ暴频度较高，一天可发生一至两次，在宇宙的任何方位都能观测到。γ暴发现于1967年，由于暴发的时间极短，只有几十秒到100秒就消失得无影无踪了，而且不会在同一个地方重现，所以γ暴的真相一直是个谜团。

由于观测手段的提高，从正在运行中的观测卫星得知，γ暴有两种类型，即暴发时间一秒以上和一秒不到。科学家们认为，前者是由“极超新星”的大爆炸引起的。

所谓“超新星”是具有8倍以上太阳质量的恒星其内部核聚变反应寿终正寝阶段时发生的爆炸现象。“极超新星”更是具有20倍左右太阳质量的重星发生的爆炸，爆炸时偶尔会形成垂直两个相反方向的“喷流”，爆炸的所有能量几乎都被“喷流”裹挟以雷霆万钧之势将物质抛向太空。

理论上，在“喷流”的端部会产生冲击波而形成名副其实的“火球”，γ暴就是来自这个“火球”的强光（γ射线）。虽然，大部分的γ暴可用极超新星来解释，但现在能够确认的只不过为两例。另外，天文学家也认为，不到一秒就消失的γ暴很可能是中子星之间或中子星与黑洞碰撞而发生的。因还未取得有力的证据，仍是一个悬案。

γ暴神出鬼没，变幻莫测，若要捕捉到它，就需进行不间断地巡天监测。目前运转中的X射线观测装置——MAXI在监测转瞬即逝的超新星的同时，也在监测γ暴的残光——X射线，旨在揭示γ暴的本质。

宇宙射线的本源

早在1912年科学家就发现了宇宙射线。所谓宇宙射线是指来自宇宙某个角落的高能带电粒子，主要由质子构成。然而90余年过去了，还几乎没有搞清楚宇宙射线究竟来自宇宙的何处？

盖其原因，宇宙中存在“银河磁场”之类的磁场，带电粒子的传播方向因电磁力的影响，无法确定宇宙射线的来源。但从最近的天文观测中发现，宇宙中也同样存在着不受磁场影响而直线“行走的超高能宇宙射线”。虽仅观测到10余例，但也有助于核查来自那些方位的宇宙射线发生源。

宇宙射线从高能到低能，种类很多。通常认为，超新星的残骸是低能宇宙射线的发生源，但关于超高能宇宙射线的带电粒子达到光速的机理基本上还不了解，其发生源究竟是天体还是其他什么也不清楚。有一种理论认为，很可能在宇宙初期形成的暗物质——超重粒子发生衰变而产生了超高能宇宙射线。

研究人员通过地球大气中的空气簇射现象可以知道宇宙射线的光临，而利用国际空间站上的望远镜“俯瞰”地球大气的空气簇射现象——EUSO计划，很有可能揭开宇宙射线的来源和传播之谜。

“暗物质”是如何存在的？

从银河系的行星分布情况类推其旋转速度，内侧的速度应该比外侧旋转得快。然而，在实际观测中发现，银河系内外侧的旋转速度基本上是相同的。要解释这一现象，假设银河系内除了我们能看得到的星体、气体云等之外，还应存在着质量是其10倍以上的“看不见的物质”。那么，这些看不见的物质究竟是何物呢？它又是如何存在于银河系中的呢？

天文学家认为，作为这些看不见物质的候选者，首先想到的是褐矮星、中子星、古老的白矮星和黑洞等等，因为它们过于暗淡，难以发现。即使将它们与能看得到的恒星、气体云相加在一起，也完全达不到“看不见的物质”在整个宇宙中的量。可以说，大部分“看不见的物质”并非是我们所认识的天体，似乎令人费解。由于看不见，所以天文学家称其为“暗物质”，也许“暗物质”是些未知的粒子，遗憾的是目前还未掌握真凭实据。

揭晓“暗物质”的真相是困难的。通过测量银河系内星体的位置及其运动情况，有可能掌握了解银河系内“暗物质”的详细分布，也许能从这个信息中发现“暗物质”的庐山真面目。

据介绍，天文学家对银河系内“暗物质”的量及其分布仅知道个大概。虽说从银河系内恒星的位置及运动中能够推断“暗物质”的量及分布，但在有10万光年直径的银河系内，我们能够准确知道的仅是距太阳约300光年以内的恒星。

计划在2014年发射的红外线定位天文观测卫星JASMINE，可以精确测量相距3万光年的恒星位置和运动情况，届时，也许有可能揭开暗物质的奥秘。

为何看不到“暗重子”？

尽管“暗物质”的性质完全不清楚，但它的存在丝毫不用怀疑。根据最新的观测结果，整个宇宙物质、能量的96%是我们不知道的暗物质、暗能量。遗憾的是并仅限于暗物质，连我们应该能发现的物质，其中大多数还是观测不到。

所谓我们能发现的物质无非是些质子、粒子等普通的重子。恒星及银河只不过是其中的10%；再有15%是充斥在银河团中1000万~1亿度K的高温气体能观测得到；其余的75%是影踪不明的物质，现在也称其为“暗重子”。

然而，通过最近的计算机模拟浮现出这一可能性，即“暗重子”是沿着宇宙的大规模结构分布的。所谓大规模结构是位于宇宙层状结构最上层处。概括地解释就是数千亿个恒星聚集在一起形成了银河；银河又大量聚集在一起形成了银河团；银河团又聚集形成了网状的大规模结构。由计算机模拟得知“，暗物质”可能分布在大规模结构的网眼中，其中密度特别高的地方也会形成银河团。

有的天文学家认为“，暗重子”是在银河团反复碰撞、合并而生长为更大银河团之际，因某种原因释放出的气体或被释放出的能加热了的气体。一旦搞清它的存在或气体聚集的机理，就有可能揭开宇宙大规模结构及银河团形成方式这一宇宙进化之谜。目前，X射线天文卫星ASTRO—E2的目标就是要捕捉到银河团的碰撞现象。

“暗能量”是什么？

我们的宇宙至今仍在膨胀。这是宇宙初期“大爆炸”留下的痕迹。1998年就有论文指出，宇宙的膨胀速度正在逐渐加快。那么是“什么”加速了宇宙的膨胀速度呢？这个“什么”的本质完全不清楚，所以只能称其为“暗能量”，也可以说“暗能量”是宇宙的最大之谜。

这篇论文的依据是来自于“la超新星”的距离和后移速度的观测结果。所谓“la超新星”是双星中的一颗向白矮星演化时，另一颗伴星的气体向它流入时发生的超新星爆炸。通过对宇宙各处的“La超新星”的观测结果分析，宇宙大爆炸后90亿年内，宇宙的膨胀速度逐渐减缓。过了这个时期，宇宙的膨胀速度又迅速加快。

天文学家认为，宇宙膨胀速度的减缓是宇宙内部物质的引力作用。当随着宇宙的膨胀、物质分散、密度降低，减速的速率也随之变小。目前，虽然对宇宙的膨胀起加速作用的“暗能量”不十分了解，但还是认为在约50亿年前“暗能量”处于主导地位。

“暗能量”究竟是什么？计划中的HOP卫星将担负揭开“暗能量”神秘面纱的历史使命，其摄像镜头的视野是哈勃太空望远镜的15倍，完全有可能会观测到数百个“la超新星”。当对宇宙的膨胀历史有一个详细的了解之后“，暗能量”也就显露它的真容了。

宇宙年龄是如何计算出来的？

宇宙的年龄约为137亿岁，即宇宙从开始膨胀到现在已度过了约137亿年的峥嵘岁月。

这个年龄是将观测值代入某一方程式计算出来的。例如，将一个球抛向空中，球的运动轨迹基本上可通过重力的大小、抛球的角度，用“运动方程式”计算出来。实际上，宇宙自身的运动——宇宙的膨胀情况也是同理。

宇宙的运动，可从爱因斯坦广义相对论导出的费理德曼方程式求出。

爱氏认为，宇宙既不膨胀也不收缩，为了消除可能由引力引发的收缩效应，在此方程式中添加了“宇宙项”，这是宇宙中能的量。要解这个方程式，三个要素必不可少，它们分别是“：现在宇宙的膨胀速度”、“宇宙中物质、能的量（宇宙项、暗能量）”“，宇宙空间的弯曲状况”，这个方程式一旦解开，那么我们就可了解宇宙的现在、过去乃至未来。

三要素是通过观测估计出来的，例如，现在的宇宙膨胀速度是由哈勃太空望远镜从银河中得出的；物质能的量和“暗能量”分别从“引力透镜”的观测及宇宙大规模结构状况和la超新星的观测来推定的。

2003年WMAP卫星在对“宇宙微波背景辐射（”带有宇宙早期信息的光）进行仔细观测后证实了以上的观测值，通过这些数值对宇宙运动进行计算得到了宇宙诞生于137亿年前、现仍在加速膨胀的结论。随着宇宙的加速膨胀，终有一天，在夜空闪烁的璀灿星星将从地球人的眼中消失。

宇宙中的96%是什么物质？我们不清楚。若要拨开这些迷雾知道宇宙的更多奥秘，则依赖更多的观测和理论的发展，这就是摆在天文学家面前的严峻课题。