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7月18日科技咖啡馆之黑洞的奥秘(二)

(2007-07-23 18:16:36)
 

介绍一下流程,刚刚英方专家提了一个问题,在茶歇过程中,大家把问

题答到答题卡上,最后我们有幸运抽奖的环节。由英国文化使馆教育处提供

一份小礼品。
    每次我们会请一位英方专家和一位中方专家,之后是茶歇。今天我们在

建国门,北京古观象台,大家感到不同的气氛。
    下面有请北京天文馆馆长朱进先生。
   
    朱进:非常欢迎大家到北京古观象台来参加这次科技咖啡馆的活动。我

自己非常抱歉,晚来了几分钟,而且还要抱歉,因为科技咖啡馆的活动讲黑

洞,但是我自己做的和黑洞差的非常远,不敢在这班门弄斧,所以,我准备

的是我自己以前在天文台做的一个题目,关于小行星方面的,这个和黑洞差

的非常远,因为小行星是最近的天体,黑洞是宇宙的结构的角度,离我们非

常远的东西,质量上也是很不一样的范畴。我觉得很可能,真正对黑洞感兴

趣的朋友,有可能对小行星不是那么感兴趣,但是我希望利用这个机会,和

大家介绍一下有关小行星的情况。
    我们上个月请清华大学的张教授在天文馆做了一个关于黑洞的演讲,所

以,我们网站上也有相应的内容,有关黑洞的内容我就不在这里班门弄斧了


    关于小行星,大家有可能记得住,前面这些年里曾经有几次关于近地小

行星撞地球的炒作,有关的炒作,各个新闻媒体都有所报道,但是,这里还

是有一些事情,就是作为从我们研究者的角度,利用这个机会给大家稍微介

绍一下。
    小行星,只是一类像地球一样绕太阳运动的小星体,和火星、金星不一

样,小行星质量非常小,个儿非常小,但是和地球共同的特点就是绕着太阳

在椭圆的轨道上,严格说不是椭圆的,运动的天体。
    对于小行星研究,最早的小行星研究是研究太阳系的起源,和行星不太

一样的地方,我说行星,以前我们叫大行星,现在有一个冥王星降级的问题

,没有大行星的概念了。就是说在行星上,由于质量比较大,本身有演化,

虽然都是45亿年,形成的,但是地球上很难找到太阳系形成的痕迹,但是小

行星,自己的演化是非常小的,几乎没有,只是一些撞击这样的事情,就是

说在小行星上,包括彗星,太阳系的小天体,他们的上面有可能还留着太阳

系早期开始的痕迹。
    另外,本身由于小行星的轨道是多种多样的。小行星的运动学上可以讨

论整个太阳系的运动学的演化。最近十年左右的时间,小行星研究是非常热

的。这些和小行星撞击非常有关的。大家听说的彗星相撞。这些事都使得不

管是科学家还是公众,这些年对小行星对地球的影响都越来越关注。在小行

星里面,绝大部分我们叫小行星主带。有相当多的我们叫近地小行星,有的

可以走到地球轨道附近。
    最近还有一类,就是冥王星讨论很多的,严格的说叫小行星不太合适,

叫做小天体。它们的轨道在海王星以外,这两类小天体是大家非常感兴趣的


    我今天想把小行星有关的东西介绍一下,但是时间有限,不太可能全面

的介绍。把一些主要的,大家感兴趣的几个点和大家提一下。
    (见图)开始之前,先给大家看一下小行星的分布,密密麻麻的是小行

星的主带,还有一些小行星离太阳比较近的这些,轨道有可能和地球相交的

。我刚才提到,小行星研究有各种各样的意义。但是,对近地小行星,有可

能撞到地球,但是反过来说,作为人类来讲更容易上去。有些小行星某些情

况下,在地球和月亮的轨道之间穿过去,对近地的小行星上去更容易一些,

所以,有人反过来讲,讨论小行星采矿这方面的东西。
    对于我们小行星研究,从天文学的角度来说,一开始从天文来观测,之

后通过一系列的天体测量来观测,慢慢的把轨道测准。几年前炒作的小行星

撞地球,就是一开始观测不够多的时候,轨道定的不够准,这样一准一算就

有可能撞到地球上,当然,这种可能性,1997年我们发现所有的小行星不可

能撞到地球,轨道再怎么不准,实际上没有什么可能。但是,1997年以后,

随着现在小行星越来越多,有的小行星撞地球的机率就要不是零了。
    所以,我们轨道定准以后,就会遇到小行星什么时候出现在什么方位,

我们可以找到,但是对它的物理性质不知道,所以,我们对它本身自转等等

进行了解,有一些小行星进行空间探测,甚至考虑资源利用的情况。
    (见图)最早发现小行星是1901年在意大利,皮亚奇这个人发现的。后

来发现一个规律,这个规律在天文学上还没有一个解释,但是,如果这个规

律对的话,离太阳2.8倍的日地距离的地方,应该有一个大行星,他们为了

找大行星,后来发现一个小行星,实际上在这个轨道上有很多的小行星。
    (见图)这是我们说的小行星的主带。主带小行星最大的是谷神星。实

际上都非常的小。我们现在也发现上千公里的天体。而小行星的质量非常小


    (见图)这些卫星拍的小行星的照片,小行星的表面,如果我们拿望远

镜看月亮,表面都是撞击的痕迹,小行星的表面也是撞击的痕迹。
    (见图)这是地面望远镜通过光学技术,以前不可能拍到这样好的照片

,但是随着技术的发展,现在可以拍到。有的是差不多一样的转,有的是一

大一小的行星转,有相当多的不是单个的小行星,有的是两个或者更多的小

行星在一起转。
    (见图)这是雷达拍的照片,这两个小行星他们虚的搭在一起转的。
    (见图)小行星的命名是有意思的事,早期用女神命名的,谷神是意大

利早期农业发展好,所以,用谷神。但是,现在有一些限制了,我们有15个

人的小天体的提名委员会,是在国际天体委员会下面,我自己是委员会委员

,如果发现者发现小行星想起名字,就会通过电子邮件发到中心,我们有一

个评审。当然,小行星命名也是非常有意思的事。
    最大的小行星的项目是在美国,叫LINEAR。
    (见图)这是我们在国家天文台做的项目,是利用60、90公分的望远镜

做的。
    现在除了光学观测,还有雷达观测,美国就有。一个是把定轨的准确性

提高,而且时间够的话,可以把小行星的表现扫出来。
    到现在为止已经发现过的小行星已经是百万计的了,但是小行星的绝大

多数轨道没有非常准的定下来,然后被丢掉了,又发现又丢掉了。所以,近

百万可能里面有同一个小行星。现在有的是有永久性的小行星的编号,是有

16万,这和五年前相比有非常大的变化。
    我们天文学家发现过的近地小行星,指的是它的轨道离太阳轨道比较近

,离太阳轨道1.3倍,离太阳最近的距离,如果小于1.3,地球到太阳的平均

距离,我们叫近地小行星,这些已经发现4600多颗,特别是最近十年来非常

快的发展。
    近地小行星分三类,其中一部分个儿非常大,轨道离地球非常近的,我

们叫潜在危险小行星,已经发现864颗,当然非常多了,当然不一定非要撞

到地球,但是很长时间段里,在百万计的时间段里,不可能永远在近地轨道

里稳定,这和轨道的稳定性有关系,绝大部分最后有可能撞到行星上,也有

可能离开现在的轨道。还有特别远的有100多颗。
    当然,这些绝大多数所谓撞击地球概率不为零,概率是非常小的。偶尔

是千分之几等等,我们观测的不是很多,当然,我们的这个概率是未来一百

年。现在发现DA700的,是700年以后撞地球的概率比较大的。
    现在有永久性编号的有1600多,我们绝大多数发现的小行星没有起名字


    近地小行星分三类,一类轨道完全在地球轨道,另外一类和地球轨道有

交叉型,就是阿波罗型,还有一类是离太阳最近的近日点,就是在地球轨道

之外,但是也小于1.3。
    近地小行星到底有多少?我们知道,大于1公里的,大概在1000颗左右

。这是我们真正最需要注意的,可能对我们威胁最大的。但是,越小可能越

多,100米的是10万颗,更小就更多。小行星再小,小到很小的时候,我们

叫流星体。我们现在已经发现的最小的小行星,就是几米,特别近的时候,

地面望远镜在它进入大气层就可以看到。我们说产生的流星现象,就是流星

体,大个的流星体就是和近地小行星是一样的,基本可以认为是同一个来源

,只是在进入地球大气层之前观测不到,所以叫做流星体,因为进入到大气

层会发光,所以观测到。
    从这张表我们会看到,近地小行星对我们的影响。这个影响,随着我们

对小行星的认识越来越多,也会变的。简单来说,这个东西越大,影响就会

越大,能量就会越大。当然,其实仔细看一下并不大。比如50米以下的,接

近于0的意思,就是陨石性质的东西。陨石掉下来砸到人才有危险,其他的

不会有危险。5月份的时候陨石掉到东北,离一个老大爷两米远的地方,我

们现在拿回到天文馆,比苹果大一点的东西。通古斯事件,以前也是有的。

如果是小个的,像核爆炸,就是把城市影响,如果砸到海里有海啸,砸到荒

的地方就是一个坑。比较大的是一公里的,这是非常严重的,可能会对地球

上四分之一的人口发生影响,而且发生的概率是百万级的。这个有不同的表

,但是大意如果一公里上下的,会在10万年,100万年发生一次,但是一旦

发生影响很大。因为一撞击把尘埃弄出来,地球上可能在半年时间,或者是

一两年见不到太阳,光和作用停止了植物会死亡,动物会饿死等等这样的影

响,但是确实会造成大规模的影响。真正像恐龙灭绝,大概会是一个15公里

左右的东西。一二十公里,一旦发生撞击事件,整个地球上的生物就会受影

响,90%几的物种会灭绝,包括我们也不会活下来,但是,这可能是上亿年

才发生一次,如果平均到每年产生的影响是小的。
    近地小行星,可以作为自然灾害,和洪水类似。洪水一年可能造成很多

人死,但是小行星造成多少人死亡,每年没有这么多。但是,不一样,洪水

是局域性的,但是它影响就是整个的影响。原则上,天文学家如果有比较好

的观测网络,这个网络光靠地球上的是不够的,还要包括地球以外的地方,

有一个比较好的网。原则上,天文学家观测到的话,可以事先精确预报的,

当然,目前没有能力改变这种现象,但是,随着科技的发展,有一天我们会

找到办法避免这种现象。
    (见图)中国发现第一颗是1997年BR,它离地球的轨道非常近,我画了

一个轨道,白的是地球的轨道,长刺的是小行星。
    我们国家除了我们以前曾经做过的小行星以外,最早在南京的紫金山天

文台五几年做过,现在紫金山天文台也做了好的望远镜。而且已经开始发现

一些小的行星了,近地小行星不知道他们有没有发现。
    另外,中山大学的叶泉志,因为他大学没有毕业,他和台湾合作,在台

湾鹿林山边上做一个,每天他自己设计,从哪观测,然后发过去,台湾的望

远镜按照他给的观测,之后把数据给他,他自己处理数据。从去年3月份到

现在发现好几百个小行星了,前几天他有比较重要的发现,叫做2007NL1,7

月11号用台湾的望远镜发现的,我们曾经发现5颗小行星,这是第6颗或者是

第7颗。另外前几天他们发现了一个彗星,编号是2007N3,这个彗星的名字

,因为刚拍到的时候没有看出来是彗星,按照小行星报的,最后叶泉志没有

命名,小行星是被提名,而原则上是谁发现命名谁。这颗最后命名为鹿林,

实际是一个地名。这是非周期彗星,是轨道式的椭圆或者是抛物线的轨道。

按照目前的轨道,因为观测只有一个多星期,按照这个预报,明年就会达到

5等,就相当于郊区好的天,肉眼就可以看到了,这是值得期待的事情。
    除了地面观测,还有小行星这几年空间探测非常热,最早是飞过去,现

在有登陆,也有采样,之后返回来的。最有名的是美国96年发射的NEAR,是

情人节那天转的时候拍的,这是极其成功的例子。还有就是前年美国发射过

一个,就是在05年美国国庆那一天提前放了一个大的铜的柱子,砸到彗星上

,砸了一个坑,带了很多的探测器,从不断的波段天侧彗星喷出来的尘埃。
    (见图)这是撞击的地方和撞击的样子。
    时间关系,特别快速的把和小行星有关的,特别是和近地小行星有关的

一些事和大家介绍一下,希望大家除了对黑洞感兴趣,也对小行星感兴趣。

虽然没有黑洞听上去那么神秘,但是和我们有很多的关系。
    最后要问大家一个问题,就问大家刚才我提到的事,近地小行星,是根

据什么定义的?是根据小行星离太阳的距离的远近还是根据它离我们地球的

距离的远近来定义的?
    谢谢大家!
   
    主持人:接下来是茶歇时间。
   
    主持人:我们继续,接下来的时间,是我们自由问答时间。
   
    提问:刚才讲座当中提到,当光线经过黑洞的时候,光线的角度会发生

变化,我们作出的解释是由于受到黑洞的吸引力的影响而导致的。光线本身

是没有重量的,没有质量的,为什么会受到黑洞的引力的作用而发生角度的

变化?
    马丁伍德:确实如你所提到的,构成光线的光子确实是没有质量的。就

是说实际上不仅仅是发生在黑洞,当一些物质经过任何的其他的大的物质,

时空的连续体是被破坏了。我们举一个例子说明这个事情,比如说一个弹簧

,有横着和竖着的条构成的,比如说蹦床,有一个比较胖的孩子,站在蹦床

的中间,横竖交织的线条,结构就会发生改变,或者是弯曲。就是说从蹦床

的一端到另外一端的最短距离发生了变化。从蹦床的一端到另一端,不是最

短的一条直线,而变成了一条曲线了。
    大家都知道,光线是在两点之间的最短距离之间传播的,刚才解释的,

就像弹簧床,当最短的距离发生改变,不在是直线的时候,就像光线一样,

一点到一点是曲线的传播。实际上并不是说构成光线的光子本身受到吸引力

的作用而使光线发生弯曲,而是空间本身发生了变化,所以使光线的传播的

路线发生了弯曲。
  
   
    提问:从我们刚才有一张图片的演示上说银河系的核心发生的一个大爆

炸,之后有一个黑洞,图片中间有一个亮的部分,既然黑洞是看不到的,为

什么有亮的部分。
    马丁伍德:当我们了解到银河系的可能有一个黑洞,但是表面上看却有

光亮的一点。事实上,我们所看到的光线是来自于银河系的核心,非常非常

多的一系列的小的系列合起来构成的,如果我们看的比较远的话是一条线,

而不是一个一个的。像我们刚才所说的,路灯,如果路灯分别来看是一个一

个的,但是从比较远的距离,路灯看上去就像一条线一样,在银河系当中也

是同样的道理。事实上,我们看到的银河系的中心非常光亮的部分是由成千

上百万颗类似于太阳这样的恒星共同构成的光亮。
   
    提问:当一束光线经过黑洞附近的时候,光的速度是否会发生变化?
    马丁伍德:我们对这个问题的回答是否定的,光的速度是不会发生变化

的,光速在真空状态下,在任何时候光速都是同样的。这实际上和爱因斯坦

的相对论的一些原则相关的,通过不同的方式在不同的领域得到了验证,就

是说光的速度在真空当中,在任何情况下都是保持一致的。除非我们有另外

一个试验来证明爱因斯坦的相对论是不正确的,否则我们坚持认为光的速度

,即使通过黑洞的周围的时候速度也是保持一致的。  我们再补充一点,速

度保持恒定不变的,但是波长在经过黑洞的时候是会发生变化的。
   
    提问:我提两个问题,第一,黑洞对我们的地球和银河系在未来会有什

么影响?我最好奇的问题,宇宙到底是什么东西?怎么回事?是不是就是无

限的?
    马丁伍德:我们对您的问题回答是,实际上黑洞对我们地球没有任何实

质性的影响,因为没有任何黑洞跟地球的距离足够近而对地球产生任何的影

响。关于黑洞,也没有什么太神秘的地方,实际还遵循很多的物理的原理的

,包括牛顿原理等等这些。至少黑洞在某种程度上还是比较接近牛顿原理的

。即使说太阳会变成一个黑洞,正像我前面跟大家解释的,太阳不可能变成

黑洞,因为它的质量不够大。即使太阳在这一分钟发生黑洞的话,八分钟我

们的光不在,八分钟是光从太阳传到地球的时间。即使这种情况下,我们会

失去太阳光的光线,即使如此,地球仍然会按照原来的轨道继续围绕太阳运

行,因为太阳的吸引力仍然是保持的,是同样的。所以,地球还仍然会按照

原来的轨道继续围绕太阳运行,其区别在于我们不再有任何的太阳的光线,

我们会处在不断的连续的黑暗之中。
    第二个问题是宇宙到底是什么?当然,您提的第二个问题,确实也是很

难的问题,我们真把它讲透,恐怕要再讲三个小时。我一分钟之内给大家一

个简短的回答。按照我们目前所知,我们最好的估计来说我们认为宇宙就是

75%有一种黑色的能量构成的,另外25%由黑色的物质构成。其中25%的物质

当中,有非常小的一部分是我们看到的正常的或者是普通的一些物质。换言

之,整个宇宙差不多有97%的部分是由我们所不知、不了解的、未知的物质

构成的。所以,我鼓励在座的各位年轻人,希望你们以后都从事物理学或者

是天文学方面的研究,继续探索我们的宇宙到底是什么。
   
    提问:朱馆长,从刚才您的讲解中,我大致了解对于小行星的研究,您

好象主要讲两方面,一方面意义在于对于小行星对人类灾害的一种预报,第

二个意义就是小行星上,可以对它的矿藏进行开发?这是我从您的讲解中了

解的,不知道还有什么其他的意义?再有就是您讲的小行星定义是2.8天文

单位,我想问,冥王星从九大行星除名之后,它能不能成为小行星呢?
    朱进:第一个问题,我PPT上有一个片子,您提到的这两个,这些年大

家对小行星比较感兴趣其中两个重要的考虑。从早期来讲,小行星也有很多

其他的更天文一点的意义。天文学家不管研究黑洞还是小行星,从一开始并

不是真的想的很实际的和日常生活有关的考虑,和研究其他的自然科学一样

,主要是对未知的东西,因为不知道所以想知道,主要是从这个目的出发。

等你发现了很多,观测很多,你会发现它和我们还是有一些关系的。所以,

这些年比较热,当然一个是近地小行星,另外一个,还有更远的。当然,这

种考虑,如果从大来说,天文学从大的来说,和我们今天讲的都有关系,一

个是我们想知道宇宙怎么来的,这里面作为小行星来讲,就是说我们要想知

道太阳系是怎么来的。这是一个小行星研究里面和太阳系起源有关系,还有

就是地球生命起源,这是研究天文学感兴趣的。它也是和天文学非常有关系

,而且和小行星有关系的,包括地球上的水、碳怎么来的,地球的演化我们

知道,但是最早种子怎么来的,这个非常可能和小天体撞击有关系,小天体

可能不仅仅是小行星,也可能是彗星。
    冥王星按照现在新的定义,被归在矮行星,是新的天体。以前是太阳系

是行星、小行星。而现在的行星是非常确定的,简单的说就是八个,以前除

了冥王星九个里面的八个。矮行星演化的比较充分,比较圆,像球形这样的

。还有卫星。
   
    主持人:时间关系,接下来时间是抽奖。
    朱进:我的问题的答案是小行星离太阳近,一个小天体离太阳最近的是

1.3倍,是比较近的。
    马丁伍德:我的问题是太阳的最终命运是什么样的?是白矮星、中子星

或者是黑洞?正确的答案是白矮星。
   
    主持人:再次掌声感谢今天两位专家。
    今天有一句话我一开始就想和各位分享,前两天天气非常差,要不是就

是桑拿天,要不就是下雨,我想说老天爷还是爱科学的人。但是我又怕中途

下雨,大家会说这个人品怎么这么差,下雨。但是我们的活动结束了,所以

,我还是要说老天还是疼爱科学的人的。
    主持人:活动到此结束。谢谢各位。

 

    7月18日科技咖啡馆之黑洞的奥秘(一)

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