1、星系吞食
和地球上的生命一樣，星系也會相互吞食并隨著時間演化。美國弗吉尼亞大學(xué)2003年9月27日發(fā)布消息說，由該校和馬薩諸塞大學(xué)研究人員組成的一個小組，首次在紅外波段上對人馬座矮星系進行了完整的測繪分析。在他們得出的模擬照片上，銀河系是一個帶有螺旋形分支的藍色扁平圓盤，人馬座矮星系中的大量恒星組成了一條暗紅色帶狀物，形似很多聚集在一起的面條。從銀河系下部纏繞到上部，然后又向下穿入銀河系圓盤。
人馬座矮星系質(zhì)量僅為銀河系的1/1OOOO，它被銀河系鯨吞的真相此前一直被恒星和宇宙塵埃所遮蔽。天文學(xué)家們在新觀測中將重點集中于一類名叫M巨星的恒星。M巨星在紅外波段上比較明亮，大量存在于人馬座矮星系，在銀河系外部卻十分少見。因此，通過觀測M巨星就可以知道人馬座矮星系的遭遇。
科學(xué)家通過觀測證實，銀河系外層的許多恒星和星團，都是它憑借強大的引力從人馬座矮星系攫取來的。負責(zé)這項研究的弗吉尼亞大學(xué)馬耶夫斯基教授說，上述結(jié)果生動地證明銀河系如何通過吃掉更小的鄰居而成長。觀測還顯示，人馬座矮星系這道大餐已被銀河系津津有味地吃了快20億年，在銀河系持續(xù)而緩慢的咀嚼下，它已到了瀕臨滅亡的臨界階段。
天文學(xué)家們根據(jù)人馬座矮星系被銀河系吞食形成的殘跡形狀推算，銀河系中的暗物質(zhì)可能呈球狀分布。這也許意味著銀河系本身不同尋常，或者暗物質(zhì)的特性比傳統(tǒng)模型所假定的更加豐富。
無獨有偶，2007年2月下旬，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，仙女座星云能夠吞食整個星系。天文學(xué)家們在銀河系這個鄰居的一些區(qū)域發(fā)現(xiàn)了“大餐”之后的遺跡。
根據(jù)天文學(xué)家馬克·費德爾的計算機模型顯示，大約7億年前M31(仙女座星云的正式名稱)星系吞食了一個矮星系，這個矮星系包含有星云本身質(zhì)量1／50大小的一些恒星。
利用科克天文臺DEIMOS專用攝譜儀獲得的觀測資料，以及利用加拿大、法國和美國在夏威夷和國家基特·皮克天文臺的設(shè)備獲得的觀測資料讓科學(xué)家們在仙女座星云邊緣發(fā)現(xiàn)了星團，科學(xué)家們認為，這就是被吞食掉的星系的殘余部分。
利用天文望遠鏡展開研究的天文學(xué)家們將自己比作罪案現(xiàn)場的刑偵專家。哈佛一史密森天體物理學(xué)中心的波林·巴姆比說：“21億年前矮星系M32闖入了仙女座星云。它幾乎是沿著極軸方向進入的，損失了超過一半的質(zhì)量?！?/p>
這還不是最后的結(jié)果。天文學(xué)家稱，經(jīng)過50億～100億年仙女座星云將和我們銀河系相撞?？茖W(xué)家們認為這一次兩個星系將是合二為一。
此外，在2009年11月23日，美國《連線》雜志網(wǎng)站報道，天文學(xué)家通過對半人馬座A星系新紅外照片進行分析，發(fā)現(xiàn)了其數(shù)百萬年前所吞食的一個星系蒼白的氣體“尸骨”
科學(xué)家認為，數(shù)百萬年前半人馬座A星系和一個星系碰撞，半人馬座A將其吞食。由于星際塵埃的遮擋，該星系的平行四邊形殘骸無法被觀測到歐洲南方天文臺的天文學(xué)家借助近紅外線光譜處理新技術(shù)，得以觀察到被吞食星系的剩余物。
半人馬座A離地球約1100萬光年，是較近地球的個活躍星系半人馬座A中心有一個大型黑洞，比銀河系中心的黑洞大50倍，相信是在數(shù)百萬年以前，星系相互碰撞所產(chǎn)生的 半人馬座A和其他比較小的星系碰撞，產(chǎn)生星球和供給黑洞活力的高能量氣體該黑洞是宇宙中最活躍的無線電波源，因此天文學(xué)家將各式天文望遠鏡對準(zhǔn)了半人馬座A。出乎天文學(xué)家意料的是，他們發(fā)現(xiàn)了一個被半人馬座A吞食的星系留下的殘骸。
2、類星體
類星體,又稱為似星體、魁霎或類星射龜源。與脈沖星、微波背景輻射和星際有機分子一道并稱為20世紀(jì)60年代天文學(xué)“四大發(fā)現(xiàn)”。1960年,美國天文學(xué)家桑德奇用一臺5米口徑的光學(xué)望遠鏡找到了劍橋射電源第三星表上第48號天體(3C48)的光學(xué)對映體。他發(fā)現(xiàn)3C48的光譜中,在一個奇怪的位置上有一些又寬又亮的發(fā)射線。1963年,美國天文學(xué)家馬丁·施密特發(fā)現(xiàn)在3C273的光譜中具有與3C48類似的現(xiàn)象,通過仔細研究,他發(fā)現(xiàn)這些發(fā)射線實際上是人們早已熟知的氫的發(fā)射線。只不過朝紅光的方向移動了相當(dāng)長的一段距離,也就是說它們具有非常大的紅移。由于在光學(xué)望遠鏡中觀察,類星體與普通的恒星看上去似乎沒有區(qū)別,因此得名類星體。
絕大多數(shù)類星體都有非常大的紅移。類星體3C273的紅移值為0.158,遠遠超過了一般恒星的紅移值。有不少類星體的紅移值超過了1,有的甚至達到4以上。根據(jù)哈勃定律,它們的距離遠在幾億到幾十億光年之外。
觀測發(fā)現(xiàn),有的類星體在幾天到幾周之內(nèi),光度就有顯著變化。因為輻射在星體內(nèi)部的傳播速度不可能快于光速,因此可以判定這些類星體的大小最多只有幾光日到幾光周,大的也不過幾光年,遠遠小于一般星系的尺度。
奚星體最初是在射電波段發(fā)現(xiàn)的,然而它在光學(xué)波段、紫外波段、x射線波段都有很強的輻射,射電波段的輻射只是很小的一部分。
根據(jù)以上事實可以想到,既然類星體距離我們?nèi)绱诉b遠,而亮度看上去又與銀河系里普通的恒星差別不大,那么它們一定具有相當(dāng)大的輻射功率。計算表明,類星體的輻射功率遠遠超過了普通星系,有的竟達到銀河系輻射總功率的數(shù)萬倍。而它們的大小又遠比星系小,這就提出了能量疑難,也就是說:類星體如此巨大的能量從何而來?它們的能量機制是什么?
在類星體發(fā)現(xiàn)后的20余年時間里。人們眾說紛紜,陸續(xù)提出了各種模型,試圖解釋類星體的能源疑難。比較有代表性的有以下幾種:
●黑洞假說:類星體的中心是一個巨大的黑洞,它不斷地吞噬周圍的物質(zhì),并且輻射出能量。
●白洞假說:與黑洞不斷吞噬物質(zhì)相反,白洞不斷地輻射出能量和物質(zhì)。
●反物質(zhì)假說:認為類星體的能量來源于宇宙中正反物質(zhì)的湮滅。
●巨型脈沖星假說:認為類星體是巨型脈沖星,由于磁力線的扭結(jié)造成能量的噴發(fā)。
●近距離天體假說:認為類星體是在銀河秒邊緣高速向外運動的天體,其巨大的紅移是由和地球相對運動的多普勒效應(yīng)引起的。
●超新星連環(huán)爆炸假說:認為在初始宇宙的恒星都是些大質(zhì)量的短壽類型,所以超新星現(xiàn)象很常見,而在星系核心的恒星密度極大,所以在極小的空間內(nèi)經(jīng)常有超新星爆炸。
●恒星碰撞爆炸:認為在初始宇宙中星系核的密度極大,所以常發(fā)生恒星碰撞爆炸。
對類星體的進一步觀測發(fā)現(xiàn)了一些新的現(xiàn)象。光譜中不同元素的譜線紅移值并不相同,發(fā)射線和吸收線的紅移值也不盡相同。在一些類星體中還發(fā)現(xiàn)了超光速運動的現(xiàn)象,例如在1972年,美國天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)類星體3C120的膨脹速度達到了4倍光速。人們起初認為這對相對論提出了巨大的挑戰(zhàn),但最近的研究表明,這些現(xiàn)象只是“視超光速”想象,起因于類星體發(fā)出的與觀測者視線方向夾角很小的亞光速噴流。
類星體與平靜的星系核不同之處在于,類星體是年輕的、活躍的星系核。由類星體具有較大的紅移值、距離很遙遠這些事實可以推想。我們所看到的類星體實際上是它們許多年以前的樣子,而類星體本身很可能是星系演化早期普遍經(jīng)歷的一個階段。隨著星系核心附近燃料逐漸耗盡,類星體將會演化成普通的旋渦星系和橢圓星系。
3 暗物質(zhì)
科學(xué)家相信，宇宙中的大部分物質(zhì)都是暗物質(zhì)，但是利用當(dāng)前的技術(shù)，既無法看到也無法探測到暗物質(zhì)。暗物質(zhì)的候選者，從極輕的中微子到看不到的黑洞。成員頗多。但仍有科學(xué)家質(zhì)疑暗物質(zhì)的存在，認為這種神秘現(xiàn)象有可能通過對引力的更好理解來解決。
21世紀(jì)初的最大科學(xué)之謎是暗物質(zhì)和暗能量，它們的存在向全世界年輕的科學(xué)家提出了挑戰(zhàn)。暗物質(zhì)存在于人類已知的物質(zhì)之外，人們目前只知道它的存在，但不知道它是什么，它的構(gòu)成也和人類已知的物質(zhì)不同。在宇宙中，暗物質(zhì)的能量是人類已知物質(zhì)能量的5倍以上。
暗能量更是奇怪。以人類已知的核反應(yīng)為例，反應(yīng)前后的物質(zhì)有少量的質(zhì)量差，這個差異轉(zhuǎn)化成了巨大的能量；而暗能量卻可以使物質(zhì)的質(zhì)量全部消失。完全轉(zhuǎn)化為能量。宇宙中的暗能量是已知物質(zhì)能量的14倍以上。
大約65年前，人類第一次發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的證據(jù)。當(dāng)時。弗里茲·扎維奇發(fā)現(xiàn)，大型星系團中的星系具有極高的運動速度，除非星系團的質(zhì)量是根據(jù)其中恒星數(shù)量計算所得到值的100倍以上，否則星系團根本無法束縛住這些星系。之后幾十年的觀測分析證實了這一點。盡管對暗物質(zhì)的性質(zhì)仍然一無所知，但是到了20世紀(jì)80年代，占宇宙密度大約20％的暗物質(zhì)已被廣為接受了。2006年，美國天文學(xué)家利用錢德拉×射線望遠鏡對星系團1E 0657-56進行觀測，無意間觀測到星系碰撞的過程。星系團碰撞威力之猛，使得暗物質(zhì)與正常物質(zhì)分開，因此發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)。
2009年12月21日，科學(xué)家在美國明尼蘇達州北部一個深750米的廢棄鐵礦中發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)，這是迄今為止最有力的有關(guān)暗物質(zhì)的證據(jù)。暗物質(zhì)被認為占宇宙質(zhì)量的90％。
茫茫宇宙中，恒星間相互作用，做著各種各樣的、規(guī)則的軌道運動，而有些運動我們卻找不著其作用對應(yīng)的物質(zhì)。因此，人們設(shè)想，在宇宙中也許存著我們看不見的物質(zhì)。
現(xiàn)已知道，宇宙的大結(jié)構(gòu)呈泡沫狀。星系聚集成星系長城。即“泡沫”的“連接纖維”，而纖維之間是巨大的宇宙空洞，即“大泡泡”，直徑達1億～3億光年。如果沒有一種看不見的暗物質(zhì)的附加引力“幫忙”，這么大的空洞是不能維持的，就像屋頂和橋梁的跨度過大不能支持一樣。
我們的宇宙盡管在膨脹，但高速運動中的各個星系并不散開。如果僅有可見物質(zhì)，它們的引力是不足以把各星系維持在一起的。
我們知道，太陽系質(zhì)量的99.86％集中在太陽系的中心即太陽上，所以離太陽近的行星受到太陽的引力，比離太陽遠的行星大。因此，離太陽近的行星繞太陽運行的速度比離太陽遠的行星快，以便產(chǎn)生更大的離心加速度來平衡較大的太陽引力。但在星系中心，雖然也集中了更多的恒星，還有黑洞，可是，離星系中心近的恒星的運動速度，并不比離得遠的恒星的運動速度快。這說明星系的質(zhì)量并不集中在星系中心，在星系的外圍區(qū)域一定有大量暗物質(zhì)存在。天體的亮度反映天體的質(zhì)量，所以天文學(xué)家常常用星系的亮度來推算星系的質(zhì)量，也可通過引力來推算星系的質(zhì)量。可是。從引力推算出的銀河系的質(zhì)量，是從亮度推算的銀河系質(zhì)量的10倍以上，在外圍區(qū)域甚至達5DOO倍。因而，在那里必然有大量暗物質(zhì)存在。
4.引力波
引力波是根據(jù)愛因斯坦廣義相對論預(yù)言的時空結(jié)構(gòu)的變形。引力波以光速傳播，但是引力波的強度很微弱，以至于科學(xué)家只能探測被強烈宇宙事件制造的引力波
在愛因斯坦的廣義相對論里，引力的本質(zhì)是時空曲率的表現(xiàn)。舉例來說，若人站立著，可以感受到地面對足部的壓力。從廣義相對論的觀點，這表示與地面的接觸阻止了物體的自由下落，因而加速了物體。既然加速被視為對世界線的彎折，這表示不在自由下落的人體的世界線并不是短程線。另一方面，時空若遠離任何質(zhì)能則幾乎是完美平直的。也因此，短程線表現(xiàn)上近似于幾何學(xué)中的直線，因而小物體可以表現(xiàn)出直線慣性運動。
廣義相對論以及其他類似的引力理論是以場方程式來表達，有時可能也用運動方程式表達。也就是說，這些理論是古典相對論性場論，在這之中引力場或多或少都和時空曲率有關(guān)。因此在某種程度上，一些區(qū)域的質(zhì)能的快速運動會產(chǎn)生時空的漣漪并向外輻射，呈現(xiàn)為引力波。換個角度說，這是場的更新資訊從一處向另一處傳遞的表現(xiàn)。
相似于電磁輻射，在廣義相對論中引力波以光速前行，并且具有橫波的特性。橫波表示引力波對于測試粒子運動的影響是發(fā)生在與傳播方向相垂直的平面。引力波代表了一個二階張量場(矩陣)的微擾，在量子場論術(shù)語中稱為--“自旋－2”。
引力波相當(dāng)微弱，科學(xué)家認為，在地球上可觀測到的最強引力波會來自很遠且古老的事件，在這事件中大量的能量發(fā)生劇烈移動。這樣的波動會造成地球上各處相對距離的變動，但這些變動的數(shù)量級應(yīng)該頂多只有10-21。以激光干涉引力波天文臺的雙臂而言，這樣的變化小于一顆質(zhì)子直徑的1％。從這樣的事實中應(yīng)該可以看出：為什么偵測引力波是十分困難的。
雖然引力輻射并未被清清楚楚地直接測到，然而已有顯著的間接證據(jù)支持它的存在。最著名的是對于脈沖星雙星系統(tǒng)PSRl913+16的觀測。這一系統(tǒng)被認為具有二顆中子星，以極其緊密而快速的模式互相環(huán)繞對方。該系統(tǒng)還呈現(xiàn)了漸進式的旋近，旋近時率恰好是廣義相對論所預(yù)期的值。對于這樣的觀測，最簡單(也幾乎是廣為接受)的解釋是：廣義相對論一定是為這種系統(tǒng)的引力輻射給出了準(zhǔn)確的說明才得以如此。泰勒和赫爾斯因為這些成就共同獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎。
科學(xué)社群中有部分人一開始對于“引力波是否會如同電磁波一般可以傳遞能量”感到困惑，這樣的困惑來自于一項事實：引力波沒有局域能量密度，因此對于應(yīng)力一能量張量的量值不會造成貢獻。不像牛頓引力，愛因斯坦引力不是一項力學(xué)理論。引力在廣義相對論中不是一種力，它是幾何。因此這樣的場原來被認為不含能量，一如引力勢。然而事實上，這種場確實可以攜帶能量，如同它可以在遠處做出機械功。而這已經(jīng)用可傳輸能量的應(yīng)力一能量偽張量進行證明過，也可看出輻射是如何將能量往外攜帶到無限遠處。
“愛因斯坦在你家”是一個由威斯康星大學(xué)密爾沃基分校主辦，基于BOINC計算平臺的分布式計算項目。該項目計劃通過位于美國的激光干涉引力波天文臺和位于德國的引力波天文臺收集數(shù)據(jù)，希望從這些收集來的數(shù)據(jù)中找到能夠證實愛因斯坦廣義相對論中引力波存在的證據(jù)。
科學(xué)家渴望從一些難以或無法利用電磁輻射來偵測的天文客體上直接觀測到引力波，用之來探測一些現(xiàn)象。舉例來說，雖然黑洞不像一般星體那樣放出可見的電磁輻射，然而當(dāng)一個物體掉入黑洞時，引力波會被發(fā)射出來。
5、真空能
真空能是一種存在于空間中的背景能量，即使在沒有物質(zhì)的空間(稱為自由空間)依然存在。真空能量導(dǎo)致了多數(shù)基本力的存在。它的效應(yīng)可以在各式各樣的實驗中觀測到，例如光的自發(fā)放射、伽馬輻射、卡西米爾效應(yīng)、范德瓦耳斯?fàn)柫?、蘭姆位移等等。另外它也被認為與物理宇宙學(xué)中的宇宙常數(shù)項有關(guān)。這里，另一個名詞大家有必要了解：零點能量。零點能量(可簡稱零點能)是量子力學(xué)所描述的物理系統(tǒng)會有的最低能量，此時系統(tǒng)所處的態(tài)稱為基態(tài)；所有量子力學(xué)系統(tǒng)都有零點能量。這個詞匯起源于量子諧振子處在基態(tài)時，量子數(shù)為零的考量。
在量子場論中，這個詞匯和真空能是等義詞，指的空無一物的空間仍有此一定能量存在，對一些系統(tǒng)可以造成擾動，并且導(dǎo)致一些量子電動力學(xué)會出現(xiàn)的現(xiàn)象，它的效應(yīng)可在納米尺度的元件直接觀測得到。
在宇宙論中，真空能量被視為宇宙常數(shù)的來源，和造就了宇宙加速膨脹的暗能量相關(guān)。
因為零點能量是系統(tǒng)可能持有的最低能量，因此此項能量無法自系統(tǒng)移除。盡管如此，零點能量的概念以及自真空汲取“免費能量”的可能性引起了業(yè)余發(fā)明者的注目——許多“永動機”或稱“免費能量裝置”等的提案都運用這項概念來解釋。這項熱潮以及相伴的趣味理論詮釋促成了大眾文化中“零點能量”概念的成長，常出現(xiàn)在科幻書刊、游戲、電影等處。
要證明零點能量存在，量子場論中最簡單的實驗證據(jù)是卡西米爾效應(yīng)。此效應(yīng)是在1948年由荷蘭物理學(xué)家亨得里克·卡西米爾所提出，其考慮了一對接地、電中性金屬板之間的量子化電磁場?？梢栽诙K板子間測量到一個很小的力，這種力稱為卡西米爾力，可直接歸因于板子間電磁場的零點能量變化所造成。
卡西米爾效應(yīng)一開始被視作不易探測，因為它的效應(yīng)只能在極小距離被看到，然而此效應(yīng)在納米科技中的重要性日漸增加。不僅是特殊設(shè)計的納米尺度裝置可輕易又精準(zhǔn)地測量到卡西米爾效應(yīng)，在微小裝置的設(shè)計以及制造中，此效應(yīng)的影響也逐漸需要被考慮進去，它會對納米裝置施加不小的力及應(yīng)力，使得裝置被彎折、扭轉(zhuǎn)和斷裂。
其他的實驗證據(jù)包括有原子或核子的光(光子)自發(fā)放射、原子能階的蘭姆位移、電子旋磁比的異常值等等。
零點能量研究領(lǐng)域是在于如何用它來產(chǎn)生推進。美國航空航天局與英國航天公司二個單位都有相關(guān)研究計劃，不過要做出可用的技術(shù)仍有相當(dāng)遙遠的路要走。要在此領(lǐng)域中取得任何的成功，就必須能做到對量子真空制造出斥力效應(yīng)。
卡西米爾效應(yīng)使得零點能量成為一個沒有爭議、且科學(xué)界普遍接受的現(xiàn)象。然而“零點能量”一詞卻已經(jīng)與一些具有爭議性的領(lǐng)域牽扯上關(guān)系：設(shè)計與發(fā)明出所謂的“免費能量”裝置，概念上與過去永動機有某種程度上的相似，在發(fā)展的成功度也相類似。
6、迷你黑洞
如果關(guān)于引力的一個新的激進理論“膜理論”是對的，那么會有數(shù)千個微小的黑洞分散在我們的太陽系。這些小黑洞都只有原子核的大小。和它們的大個同胞不同，這些迷你黑洞是大爆炸產(chǎn)生的，并且對時空的影響不同，因為它們和第五維時空密切相關(guān)。
迷你黑洞與潛伏在太空中的大型黑洞有何不同?牛津大學(xué)物理系的奇氧姆·艾瑟威爾解釋說：“最簡單的黑洞是中心有奇點。而且被‘黑洞表面’環(huán)繞能天體。一旦有東西與黑洞之間距離小于“黑洞表面”的半徑，它就會被黑洞吸進去，再也無法逃逸出去。即使光也元法逃出黑洞魔爪，因此美國物理學(xué)家約翰·阿奇巴德-惠勒在1967年把這些天體命名為‘黑洞’?！?/p>
奇戴姆表示希望通過研究黑洞，可以得出一個公式化的量子引力理論，把愛因斯坦的廣義相對論與量子力學(xué)嫁接在一起。大型強子對撞機是質(zhì)子與質(zhì)子相撞。這些質(zhì)子由更小的成分構(gòu)成，即所謂的“部分子”。事實上它們才是大型強子對撞機里正在相撞的粒子。大型強子對撞機里的二個相撞質(zhì)子(例如夸克和膠子)的施瓦氏半徑，至少比普朗克長度小15個等級。普朗克長度是可以在常規(guī)宇宙中獲得的物體的最小間距或大小。奇戴姆評論說：“這意味著在常規(guī)物理模型中，二個質(zhì)子相撞根本不會產(chǎn)生黑洞。然而有模型稱，在非常小的距離內(nèi)引力會變得異常大。如果這種猜測屬實，大型強子對撞機里二個相撞質(zhì)子的施瓦氏半徑會變得足夠大，因此二個質(zhì)子彼此穿過對方并非沒有可能。蛔果真是這樣，我們或許可以生成一個微型黑洞。”
將大型離子對撞實驗的內(nèi)部追蹤系統(tǒng)運送到實驗洞并將它嵌入定時發(fā)射膛。這些小型黑洞是什么樣的?我們應(yīng)該擔(dān)心它們嗎?事實上它們不會那么黑暗。隨著黑色天體不斷輻射波譜，它們最終會消失。它們的消失速度與黑洞的質(zhì)量成反比。迷你黑洞非常熱：熱得令人難以置信。我們太陽的核心大約有1500萬攝氏度，然而它要想趕上迷你黑洞的溫度，你必須再這個數(shù)字后面添加42個零。這種令人難以置信的高溫意味著迷你黑洞會很快消失在它們周圍溫度更低的太空里。他們的潛在壽命大約是一億分之一秒的。因此它們產(chǎn)生后會在剎那間消失不見。如果它們果真出現(xiàn)了，它們會立刻變成很名小粒子，利用ATLAS探測器可以發(fā)現(xiàn)它們。
但理論歸理論，終究要通過實踐來驗證。2010年12月21日消息。歐洲核子研究中心大型強子對撞機CMS探測器任務(wù)團隊完成了對高能質(zhì)子撞擊產(chǎn)；生的迷你黑洞的搜尋工作。但是，科學(xué)家迄今并未發(fā)現(xiàn)迷你黑洞產(chǎn)生證據(jù)，而對撞實驗產(chǎn)生多種理論模式預(yù)測的質(zhì)量為3.5萬億～4.5萬億電子伏特黑洞的可能性已被排除。據(jù)科學(xué)家預(yù)測。迷你黑洞存在于某些理論模式中，這些理論模式通過假設(shè)三維空間之外還存在額外“卷曲”維度，試圖將量子力學(xué)和相對論這物理學(xué)的二大理論統(tǒng)一起來。
這種情況下，相撞的粒子以類似于電磁力、強力和弱力等宇宙中其他三種基本作用力的強度發(fā)生引力相互作用。接著，二個撞到一起的粒子可能會形成迷你黑洞。如果確如理論預(yù)測的那樣，迷你黑洞會瞬間消失，產(chǎn)生由正常物質(zhì)的亞原子粒子構(gòu)成的與眾不同的噴射物。
7、中微子
中微子是電中性的、實際上無質(zhì)量的基本粒子，它們可以不受阻礙地穿過數(shù)千米的鉛。這些幽靈般的粒子來自于恒星內(nèi)部的燃燒，包括壯年恒星以及死亡恒星的超新星爆炸。中微子探測器被深埋在地下以及海洋中，或者置于大塊的冰中，冰塊是被稱為冰立方的中微子探測器的一部分。
中微子概念的提出要追溯到1930年。這一年，奧地利物理學(xué)家泡利提出存在中微子的假設(shè)。1956年，柯溫和弗雷德里克·萊因斯利用核反應(yīng)堆產(chǎn)物的β衰變產(chǎn)生反中微子，觀測到了中微子誘發(fā)的反應(yīng)，這是第一次從實驗上得到中微子存在的證據(jù)。
1962年，美國布魯克海文國家實驗室的物理學(xué)家利昂·M.萊德曼等人發(fā)現(xiàn)了中微子有“味”的屬性，證實了μ子中微子和電子中微子是不同的中微子。2000年，美國費米國家實驗室宣布發(fā)現(xiàn)了τ子中微子存在的證據(jù)。
高速中微子在通過介質(zhì)時，如果其速度大于光在這種介質(zhì)中的傳播速度，會產(chǎn)生藍色輝光，即切連科夫輻射。薩德伯里中微子天文臺就是根據(jù)這種效應(yīng)間接探測中微子。它的主要部分是一個直徑12米的球形容器，里面裝有1000噸重水，容器壁用丙烯酸樹脂制成，厚度為5厘米，容器的周圍安裝了9600個光電倍增管，用于探測倫科夫輻射的光子。
20世紀(jì)60年代以來對太陽中微子的觀測發(fā)現(xiàn)，實際測量到的中微子流量只有標(biāo)準(zhǔn)太陽模型所假設(shè)結(jié)果的1／3，這就是著名的太陽中微子問題。薩德伯里中微子天文臺之前的中微子探測器大多只能探測到三種中微子中的電子中微子，無法探測到μ子中微子和τ子中微子。2001年6月，薩德伯里中微子天文臺的測量結(jié)果發(fā)表，表明太陽中微子在到達地球途中，在三種不同“味”的中微子之間發(fā)生了相互轉(zhuǎn)化，即中微子振蕩。這一結(jié)果同時表明中微子是有質(zhì)量的，而不是粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型中所預(yù)言的零質(zhì)量粒子，這一結(jié)果在2002年得到了日本超級神岡探測器的證實。
針對太陽中微子的缺失問題，人們首先想到的是修改標(biāo)準(zhǔn)太陽模型。如果測量到的中微子流量是準(zhǔn)確的，那么要求太陽核心的溫度比標(biāo)準(zhǔn)太陽模型中的溫度低，而日震觀測發(fā)現(xiàn)實際溫度與標(biāo)準(zhǔn)太陽模型符合得很好。此外，無論怎樣調(diào)整太陽標(biāo)準(zhǔn)模型都無法符合觀測得到的中微子能譜，對模型進行任何調(diào)整都會令矛盾增多。
另一種解釋是中微子振蕩，即中微子在傳播到地球途中發(fā)生了轉(zhuǎn)換。中微子有三種，分別是電子中微子、μ子中微子和τ子中微子。粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言，中微子是沒有靜止質(zhì)量的粒子。如果三種中微子之間可以相互轉(zhuǎn)換，那么意味著中微子是有質(zhì)量的，這將對粒子物理學(xué)的許多基本觀念提出挑戰(zhàn)。
1998年，日本的超級神岡探測器首次發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩的確切證據(jù)，表明μ子中微子轉(zhuǎn)換成了τ子中微子。2001年，加拿大的薩德伯里中微子天文臺發(fā)表了測量結(jié)果，探測到了太陽發(fā)出的全部三種中微子，其中35％是電子中微子。三種中微子的總流量與標(biāo)準(zhǔn)太陽模型的預(yù)言符合得很好，解決了先前觀測到的太陽中微子缺失問題。
8、系外行星
如太陽系外行星泛指在太陽系以外的行星。自20世紀(jì)90年代首次證實系外行星存在,到2011年4月15日,人類已發(fā)現(xiàn)543顆系外行星。歷史上天文學(xué)家一般相信在太陽系以外存在著其他行星,然而它們的普遍程度和性質(zhì)則是一個謎。直至20世紀(jì)90年代人類才首次確認系外行星的存在,而自2002年起每年都有超過20個新發(fā)現(xiàn)的系外行星?，F(xiàn)時估計不少于10%類似太陽的恒星都有其行星。隨著系外行星的發(fā)現(xiàn)便令人引申到它們當(dāng)中是否存在外星生命的問題。
雖然已知的系外行星均附屬不同的行星系統(tǒng),但亦有一些報告顯示可能存在一些不圍繞任何星體公轉(zhuǎn),卻具有行星質(zhì)量的物體。因為國際天文聯(lián)合會并未對這類天體是否屬于行星有所定義,而至今亦未證實這類天體存在。
系外行星命名是在母星名字后加上一個小寫英文字母。在一個行星系統(tǒng)內(nèi)首個發(fā)現(xiàn)的行星將加上“b”,如飛馬座51b,而隨后發(fā)現(xiàn)的則依次序為飛馬座51c,飛馬座51d等。不使用“a”的原因是因為可被解釋為母星本身。字母的排列只按發(fā)現(xiàn)先后決定,因此在格利澤876系統(tǒng)內(nèi)最新發(fā)現(xiàn)的格利澤876d卻是系統(tǒng)內(nèi)已知軌道最小的一個行星。
在飛馬座51b于1995年被發(fā)現(xiàn)前，系外行星有不同的命名方法。最早被發(fā)現(xiàn)的PSRB1257+12行星以大寫字母命名，分別為PSR1257+12B及PSR1257+12C。隨后發(fā)現(xiàn)了一個更為接近母星的行星時，卻命名為1257+12A而不是D。一些系外行星也有非正式的外號，例如HD209458 b又稱“歐西里斯”。
早在19世紀(jì)便有天文學(xué)家聲稱發(fā)現(xiàn)系外行星。1855年，在東印度公司馬德拉斯天文臺工作的W·S·雅各布·發(fā)現(xiàn)蛇夫坐70雙星系統(tǒng)軌道異常，懷疑當(dāng)中有類似行星的物體；19世紀(jì)90年代，芝加哥大學(xué)及美國海軍天文臺的托馬斯·杰弗遜聲稱軌道異常證明該系統(tǒng)當(dāng)中有一個公轉(zhuǎn)周期為36年的黑暗物體，但弗雷斯特·雷·莫爾頓隨即指出這樣的系統(tǒng)極不穩(wěn)定。在1950年——1960年，斯沃斯莫爾學(xué)院的彼得·范·德·坎普聲稱發(fā)現(xiàn)了繞著巴納德星公轉(zhuǎn)的行星。后來的天文學(xué)家普遍認為這些早期觀測都是錯誤的。
加拿大天文學(xué)家布魯斯·坎貝爾等人在1988年的成果是首次獲得隨后觀測確認的發(fā)現(xiàn)，他們利用視向速度法發(fā)現(xiàn)圍繞的行星。然而因為當(dāng)年技術(shù)條件所限，包括發(fā)現(xiàn)者本身的天文學(xué)界都對結(jié)果有所保留。也有人懷疑這些其實是質(zhì)量介乎于行星和恒星之間的褐矮星。隨后不少觀測支持仙王座 γ 擁有行星，但也有研究顯示相反的證據(jù)。最終到了2003年運用改進了的觀測技術(shù)方能證實。
1991年，安德魯 ·林恩等人聲稱運用脈沖星計時法發(fā)現(xiàn)了一個圍繞PSR1829-10的脈沖星行星。雖然結(jié)果受到注目，但林恩及其研究隊伍很快便撤回結(jié)果。
1992年，美國天文學(xué)家亞歷山大·沃爾茲森及戴爾·弗雷宣布發(fā)現(xiàn)一個圍繞脈沖星PSRB1257+12的行星。這項發(fā)現(xiàn)迅速被確認，普遍認為這是首次對系外行星的確認。
1995年10月6日，日內(nèi)瓦大學(xué)的米歇爾·麥耶及戴狄爾·魁若茲宣布首次發(fā)現(xiàn)一顆普通主序星（飛馬座51）的行星，這個發(fā)現(xiàn)揭開了當(dāng)代的系外行星發(fā)現(xiàn)的序幕。截止209年10月19日，人類一共發(fā)現(xiàn)了403個系外行星，包括一些在早前已被發(fā)現(xiàn)但一度被外界否定，卻在后期才被證實的，當(dāng)中很多都是由杰佛瑞·馬西的隊伍加州大學(xué)的里克天文臺和凱克天文臺發(fā)現(xiàn)。
9、宇宙微波背景輻射
宇宙微波背景輻射(又稱3K背景輻射)是一種充滿整個宇宙的電磁輻射。特征和絕對溫標(biāo)2 725K的黑體輻射相同。頻率屬于微波范圍。
1934年，托爾曼發(fā)現(xiàn)在宇宙中輻射溫度的演化里溫度會隨著時間演化而改變；而光子的頻率隨時問演化(即宇宙學(xué)紅移)也會有所不同。但是當(dāng)二者一起考慮時，也就是討論光譜時(是頻率與溫度的函數(shù))二者的變化會抵消掉，也就是黑體輻射的形式會保留下來。
1948年，美國物理學(xué)家伽莫夫、阿爾菲和赫爾曼估算出，如果宇宙最初的溫度約為10億攝氏度，則會殘留有約5K～10K的黑體輻射。然而這個工作并沒有引起重視。1964年，蘇聯(lián)的澤爾多維奇、英國的霍伊爾、泰勒、美國的皮伯斯等人的研究預(yù)言，宇宙應(yīng)當(dāng)殘留有溫度為幾K的背景輻射，并且在厘米波段上應(yīng)該是可以觀測到的，從而重新引起了學(xué)術(shù)界對背景輻射的重視。美國的狄克、勞爾、威爾金森等人也開始著手制造一種低噪聲的天線來探測這種輻射，然而另外二個美國人無意中先于他們發(fā)現(xiàn)了背景輻射。
1964年，美國貝爾實驗室的工程師阿諾：彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜架勢設(shè)了一臺喇叭形狀的天線，用以接收“回聲”衛(wèi)星的信號。為了檢測這臺天線的噪音性能，他們將天線對準(zhǔn)天空方向進行測量。他們發(fā)現(xiàn)，在波長為7.35厘米的地方一直有一個各向向性的訊號存在，這個信號既沒有周日的變化，也沒有季節(jié)的變化，因而可以判定與地球的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)無關(guān)。
起初他們懷疑這個信號來源于天線系統(tǒng)本身。1965年年初，他們對天線進行了徹底檢查，清除了天線上的鴿子窩和烏糞，然而噪聲仍然存在。于是他們在《天體物理學(xué)報》上以《在4080兆赫上額外天線溫度的測量》為題發(fā)表論文正式宣布了這個發(fā)現(xiàn)。不久狄克、皮伯斯、勞爾和威爾金森在同一雜志上以《宇宙黑體輻射》為標(biāo)題發(fā)表了一篇論文，對這個發(fā)現(xiàn)給出了正確的解釋，即：這個額外的輻射就是宇宙微波背景輻射。
宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)在近代天文學(xué)上具有非常重要的意義，它給了大爆炸理論一個有力的證據(jù)，并且與類星體、脈；中星、星際有機分子一道，并稱為20世紀(jì)60年代天文學(xué)“四大發(fā)現(xiàn)”。彭齊亞斯和威爾遜也因發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射而獲得1978年的諾貝爾物理學(xué)獎。
根據(jù)1989年11月升空的宇宙背景探測者測量到的結(jié)果，宇宙微波背景輻射譜非常精確地符合溫度2.2760.010K的黑體輻射譜，證實了銀河系相對于背景輻射有一個相對的運動速度，并且還驗證，扣除掉這個速度對測量結(jié)果帶來的影響，以及銀河系內(nèi)物質(zhì)輻射的干擾，宇宙背景輻射具有高度各向同性，溫度漲落的幅度只有大約百萬分之五。目前公認的理論認為，這個溫度漲落起源于宇宙在形成初期極小尺度上的量子漲落，它隨著宇宙的暴漲而放大到宇宙學(xué)的尺度上，并且正是由于溫度的漲落，造成物質(zhì)宇宙物質(zhì)分布的不均勻性，最終得以形成諸如星系團等的一類大尺度結(jié)構(gòu)。
2006年，負責(zé)COBE項目的美國科學(xué)家約翰·馬瑟和喬治·斯穆特因其對“宇宙微波背景輻射的黑體形式和各向異性”而獲得諾貝爾物理學(xué)獎。
2003年，美國發(fā)射的威爾金森微波各向異性探測器對宇宙微波背景輻射在不同方向上的漲落的測量表明，宇宙的年齡是137±1億年，在宇宙的組成成分中，4％是一般物質(zhì)，23％是暗物質(zhì)，73％是暗能量。宇宙目前的膨脹速度是每秒71千米每百萬秒差距，宇宙空間是近乎于平直的，它經(jīng)歷過暴漲的過程，并且會一直膨脹下去。
10 反物質(zhì)
就像超人還有與其相反的一面，組成通常物質(zhì)的基本粒子也有相反的一面。例如，電子帶有負電荷，而它的反粒子，即正電子帶正電荷。物質(zhì)和反物質(zhì)碰到一塊兒后會碰撞湮滅，同時它們的質(zhì)量會轉(zhuǎn)變?yōu)榧兡芰?。很多設(shè)想中的太空船就是靠反物質(zhì)引擎推動的。
反物質(zhì)是一種假想的物質(zhì)形式，在粒子物理學(xué)里，反物質(zhì)是反粒子概念的延伸，反物質(zhì)是由反粒子構(gòu)成的。物質(zhì)與反物質(zhì)的結(jié)合，如同粒子與反粒子結(jié)合一般，會導(dǎo)致二者湮滅并釋放出高能光子或伽馬射線。1932年，美國物理學(xué)家卡爾·安德森在實驗中證實了正電子的存在，隨后又發(fā)現(xiàn)了負質(zhì)子和反中子。2010年11月17日，歐洲研究人員在科學(xué)史上首次成功“抓住”微量反物質(zhì)。2011年5月初，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)與美國科學(xué)家合作發(fā)現(xiàn)迄今最重的反物質(zhì)粒子——反氦4。2011年6月5日，歐洲核子研究中心的科研人員宣布已成功抓取反氫原子超過16分鐘。
是否存在反物質(zhì)?現(xiàn)代天文學(xué)還拿不出令人信服的證據(jù)。否定反物質(zhì)的人；很多，美國宇宙學(xué)家施拉姆說：“大多數(shù)理論家直覺不存在反物質(zhì)。這意味著如果你找到它，那是一個偉大的發(fā)現(xiàn)。但更可能的是，這意味著你找不到它?！?/p>
天體有巨大的引力，在巨大的引力作用下，會發(fā)生各類反應(yīng)，并發(fā)光發(fā)熱。物極必反，拉普拉斯曾經(jīng)大膽預(yù)言：宇宙中最大的天體有可能是看不見的。當(dāng)引力隨質(zhì)量增大時，天體會變成一個一無所有的區(qū)域，既不發(fā)熱，也不發(fā)光，現(xiàn)在我們稱之為黑洞。我們?nèi)庋酆吞煳膬x器所能“看”到的只是以恒星或以星系形式存在的宇宙結(jié)構(gòu)，這些物質(zhì)只占宇宙總體的10％。顯而易見，對可見物質(zhì)的巨大引力的存在表明了暗物質(zhì)或反物質(zhì)的存在。
同樣的，對應(yīng)現(xiàn)存的星系結(jié)構(gòu)體系，有相反的反宇宙結(jié)構(gòu)體系存在嗎?其實早在1898年，一位英國物理學(xué)家就提出：與物質(zhì)存在一樣，有一個鏡像對應(yīng)的反物質(zhì)存在。1997年，科學(xué)家宣布發(fā)現(xiàn)了“銀心反物質(zhì)噴泉”，極大地震撼了整個物理學(xué)界，使科學(xué)家尋找反物質(zhì)的熱情一下子高漲起來。
1998年夏天，美國航空航天局把阿爾法磁譜儀送上了太空。它的主要目標(biāo)之一是尋找宇宙射線中的反原子核。
如果相信宇宙中有等量的物質(zhì)和我們這個由正物質(zhì)構(gòu)成的區(qū)域。由于星系際大部分地方很空曠，反原子核可自由地飛行很長距離。這樣，放置在地球大氣層之外的磁譜儀就能接收到它。這就是“阿爾法磁譜儀”計劃的基本想法。處有巨大的反物質(zhì)區(qū)存在，那它肯定是一個里程碑式的成果。它的意義遠不僅是證實了宇宙中有反物質(zhì)天體，更重要的是它對物理學(xué)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在早期宇宙中，正反粒子必是混合的。按現(xiàn)有的物理理論，沒有一種已知的作用如果觀測證實遠處確有已被分離出去的大量反物質(zhì)，物理學(xué)將需要突破性的變化。
