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第18章 太阳系之谜(8)

科学家为寻找新的行星也做了许多工作,他们用超大型望远镜对准这颗未知行星可能出现的地方,拍摄了数以万计的照片,希望从这些照片中像沙里淘金似的找到它。此外,美国发射的“先驱者”10号和“先驱者”11号宇宙探测器,在太阳系边缘附近做了大量观测,企图找到冥外行星。

太阳系究竟还有没有大行星?至今说法不一,仍然是一个谜。也许,这个谜将由你来揭开。

彗星不为人知的秘密

彗星又称“扫帚星”,因为它出现时,拖着一个像扫帚似的长长的尾巴而得名。我国古代曾把扫帚星的出现看做一种不祥之兆。民间把彗星贬称为“扫帚星”“灾星”。人们把彗星的出现和人间的战争、饥荒、洪水、瘟疫等灾难联系在一起。

公元1066年,诺曼人入侵英国前夕,正逢哈雷彗星回归。人们怀着复杂的心情注视夜空中这颗拖着长尾巴的古怪天体,认为是上帝给予的一种战争警告和预示。后来,诺曼人征服了英国,诺曼统帅的妻子把当时哈雷彗星回归的景象绣在一块挂毯上以示纪念。

我国古代对于彗星的形态已很有研究,在长沙马王堆西汉古墓出土的帛书上就画有29幅彗星图。在《晋书·天文志》中清楚地说明彗星不会发光,是因为反射太阳光而被我们看见,且彗尾的方向背向太阳。

一般彗星由彗头和彗尾组成。彗头包括彗核和彗发两部分,有的还有彗云。并不是所有的彗星都有彗核、彗发、彗尾等结构。

彗星没有固定的体积,它在远离太阳时,体积很小;接近太阳时,彗发变得越来越大,彗尾变长,体积变得十分巨大。彗尾最长竟可达2亿多千米。彗星的质量非常小,绝大部分集中在彗核部分。彗核的平均密度为1克/立方厘米。彗发和彗尾的物质极为稀薄,其质量只占总质量的l%~5%,甚至更小。彗星物质主要由水、氨、甲烷、氮、二氧化碳等组成,彗核则由凝结成冰的水、二氧化碳(干冰)、氨和尘埃微粒混杂组成,是个“脏雪球”。

彗星和行星一样,也是绕太阳运行。彗星的轨道与行星的很不相同,它是极扁的椭圆,有些甚至是抛物线或双曲线轨道。轨道为椭圆的彗星能定期回到太阳身边,称为周期彗星;轨道为抛物线或双曲线的彗星,终生只能接近太阳一次,而一旦离去,就会永不复返,称为非周期彗星,这类彗星或许原本就不是太阳系成员,它们只是来自太阳系之外的过客,无意中闯进了太阳系,而后又回到茫茫的宇宙深处一去不复返。周期彗星又分为短周期(绕太阳公转周期短于200年)和长周期(绕太阳公转周期超过200年)彗星。

宇宙中彗星的数量极大,但目前观测到的仅有约1600颗。这么多彗星又是从哪来的呢?

彗星的起源是个未解之谜。有人提出,在太阳系外围有一个特大彗星区,那里约有1000亿颗彗星,叫奥尔特云。由于受到其他恒星引力的影响,一部分彗星进入太阳系内部,由于木星的影响,一部分彗星逃出太阳系,另一些被“捕获”成为短周期彗星。也有人认为彗星是在木星或其他行星附近形成的。还有人认为彗星是在太阳系的边缘地区形成的,甚至有人认为彗星是太阳系外的来客。

彗星还有很多不为人知的秘密,要完全解开这个拖着长尾巴的天体之谜还有待人们进一步探索。

小行星起源之谜

大约在200年以前,人们还不知道有小行星,只是根据大行星排列的规律,认为好像在火星和木星之间,还应有一颗行星,但是人们始终没有发现它。

1801年的新年之夜,第一颗小行星被发现了。虽然它也是绕着太阳运转的,但是比起大行星来,它太小了,比地球的卫星月球还小,所以把它叫做小行星,并且用希腊神话中的Ceres(谷神)给它起了名字,叫它谷神星。往后小行星发现得越来越多,就按照发现的先后次序给它们编号,每个都有一个专门的名字。

成千上万的小行星,大多在火星和木星轨道之间,如同大大小小的一座座山、一块块的巨石,绕着太阳公转。它们无名无姓,它们不声不响,静悄悄地成群地在各自的轨道上运动着。偶然也有出轨的行动,有的被靠近它的大行星吸引,掉到大行星上去;有的互相碰撞,同归于尽。但是这些现象,我们从来没有见过,因为它们太远、太小,人眼是看不见的。

从巡天观测的照片中估计小行星的数目有近50万颗。为什么在火星和木星轨道之间会有如此庞大的小行星群?关于这个问题有过很多猜测和假设。

当1804年第三颗小行星被发现后,一位德国科学家假设火星和木星之间原来存在一个大行星,后来不知什么原因爆炸了,已经发现的3颗小行星就是它爆炸后的3块大碎片。他预言一定还有许多小行星存在。进入20世纪后,“爆炸说”重又引起某些科学家的重视。

另一种假设是“碰撞说”。这种假设认为,在火星、木星之间的区域,原来存在着几十颗类似谷神星、智神星大小的“中介天体”,由于它们的轨道分布杂乱,在漫长的岁月中互相发生猛烈碰撞,碰撞碎裂形成了千万颗小行星,而最早发现的4颗小行星则是碰撞事故的幸免者。

近20年来,关于小行星起源的假设又有了新的发展。新的观点认为:小行星有与大行星一样的形成过程,是从同一块“原始星云”中脱胎而出的,只是大行星发展比较完全,小行星由于各种原因中途“流产”了,未能“发育”完全。小行星带与土星环在某种程度上是可以类比的。

这些假设从某些方面解释了小行星的起源,但又都存在很多问题。现在,越来越多的天文学家认为:小行星的起源是太阳系起源问题中不可分割的一环。这些小天体是太阳系中珍贵的“化石”,它们记载着行星形成初期的信息。

小行星在太阳系中已经运行了40多亿年,由于它们的质量很小,不像地球那样曾经发生过的沧海桑田的重大变质过程,因此保留了太阳系形成初期的原始状态,对于研究太阳系的起源有重大价值。通过对小行星轨道研究,也有助于测定一些天文基本数据和对太阳系演化的研究。未来还可能到某些小行星上发现新的矿藏,或者也可能作为飞往别的行星的中间站。

比较接近地球的小行星,对地球存在着潜在的危险,就像1994年彗星碰撞木星那样,地球也可能被小行星碰撞而产生巨大的灾难。因此密切关注接近地球的小行星而且采取有效的对策,从而保护地球的安全已成为科学研究的重大课题。现在全世界已经在联合行动,我国也已成为其中的重要成员。

小行星的研究对人类研究宇宙空间有着重要意义,随着科技的发展,小行星的诸多神秘面纱也会渐渐被揭开。

太阳中微子到哪里去了

日升日落,这样的景象人们可以说是司空见惯了。然而,太阳内部究竟是什么样子?恐怕没有谁能够真正说得清楚。因为,人们平常对太阳的观测,不论用的是什么手段,不论是可见光还是射电波、紫外线、X射线等,基本上只能看到它的表面和大气中的一些现象。日震为我们提供了太阳内部的部分信息,但这种信息可以说非常有限,更为关键的是这样并不能深入到太阳最核心的部分。

在这种情况下,中微子——这种物质结构中的基本粒子之一,向焦灼的科学家们伸出了宝贵的支持之手。

中微子是什么样的东西呢?它哪来那么大的本领?

我们知道,小到纸张、铅笔,以及塑料、橡皮、布匹等等,都是由无数分子组成的,而分子一般则是由两个以上的不同化学元素的原子组成。譬如,我们生活中不可缺少的水,就是由两个氢原子和一个氧原子合在一起组成的。

那么,原子是由什么东西组成的呢?是由比它还要小得多的基本粒子组成的。到目前为止,已经发现了好几十种基本粒子,如光子、电子、质子、中子等,中微子是其中的一种。

中微子的存在早在20世纪30年代初就有人提出来了,20多年后从实验中得到证实。中微子是一种性质很特别的基本粒子,它的质量小得不能再小,几乎快接近于零了。它不带电,也不与一般物质打“交道”,是个脾气孤僻又很难跟它“对话”的家伙。

有意思的是,太阳中心在热核反应过程中,却产生出大量的中微子,每秒钟约有2×1038个。由于它们对别的物质概不理睬,势必就浩浩荡荡迅速穿过太阳内部各层,直奔浩渺的宇宙空间,而其中的一部分就直奔地球而来。

根据理论推算,每秒钟、每平方厘米的地面上大概落下600亿个中微子——想想看,我们的头顶上要承受多少中微子的袭击呀!比雨点不知密了多少倍呢!不过,我们一点都不必担心,中微子的质量实在是微小,以至于可以忽略不计,所以我们不仅对它没有丝毫的感觉,而且也不会受到它任何的伤害。

显然,从太阳核心部分来的中微子,必然带着太阳核心部分的宝贵信息,而如此大量的中微子亲临地球,向人类报告太阳内部的温度、压力、密度和各种物理状况,这对人类来说,真是“踏破铁鞋无觅处”的绝好机会。

知道有大量中微子来到地球上,那还是比较容易的,不过要想真正抓住它们,哪怕是只抓住少数“代表”,可就不那么容易了。为了排除一切干扰,包括避免由宇宙线产生的中微子混进来“捣乱”,英国布鲁克黑文实验室的戴维斯等科学家,于1955年布置了一个特殊的“陷阱”,就像捕捉野兽那样,等待中微子来自投罗网。

他们的“陷阱”是个大容器,装下了39万升(开始实验时只装了3900升)、重600吨的四氯化二碳溶液。容器安置在一座报废了的在地面下1500多米深的金矿矿井里。这对中微子来说是无所谓的,因为它不会与别的物质发生作用,钢筋水泥、铜墙铁壁、上层岩石都挡不住它,它会轻而易举地直接来到矿井,穿透容器壁,而与溶液发生作用。

从计算情况来看,大体上1.8×1035个化学元素氯的原子,平均可以在一秒钟内抓到一个中微子,而溶液中大致有超过2×1030个氯原子。这么算起来,戴维斯等人布置的陷阱每天只能落进去1.1个中微子,可以说是不多。我们把一件很困难完成的事比作大海捞针,而逮住中微子可是比大海捞针还要难得多。

结果怎么样呢?

经过10多年的探测,有了初步结果,“中微子被逮住了”的消息不胫而走,立即轰动了全世界。天文学家们为抓获了直接从太阳核心部分来的物质而兴高采烈,并寄予很大希望。可是,好景不长,戴维斯等很快发现,实验结果与理论推算不符合。原本希望每天能捕捉到1.1个中微子,实际情况却有很大出入。1973年的实测结果是每5天“捉”到1个中微子,有时候则是接连好几天1个中微子的影子都不见。1978年得出的结果是,平均2.3天得到1个中微子。大体说来,中微子的探测值只是理论值的1/3,两者相差颇多。

戴维斯及其合作者对陷阱和实验步骤的全过程做了反复的推敲和考察,认为容器、溶液和整个实验工作是无可指责的。这意味着中微子理论确实出现了“危机”,这就是直到现在仍使科学家头疼的中微子“失踪”案。

可是很奇怪,太阳中微子究竟躲到哪里去了呢?

迷惑之余,人们也因此受到启发,认为中微子的失踪至少反映出三个方面的问题:

第一,也许我们对于太阳内部构造、处于特殊状态下的物质性质,了解得太少了,甚至有严重缺陷和错误,应该重新掌握大量第一手资料,建立更加符合实际情况的理论模型。

第二,也许我们已经建立起来的热核反应的理论有问题,尤其是在太阳内部的具体条件下,中微子的产生理论和机制可能都有误,需要重新考虑,也许就根本没有产生出那么多中微子。

第三,对中微子本性的了解、对中微子在从太阳到地球的过程中某些性质是否会改变等,在认识上也许都还存在不少问题。

为了解释观测与理论之间的矛盾,科学家们从不同的角度提出的假说已达好几十种。下面是其中的几个例子。

太阳内部重元素的含量,现在一般都定为2.5%。如果这个比例能降低到0.1%的话;如果太阳内部的自转比表面快得多,中心部分的自转比表面快2倍的话;如果太阳核心部分的磁场特别强的话;如果太阳中心有个半径只有几厘米而质量达到太阳的十万分之一的微型黑洞的话……太阳中微子的理论值就会比现在所认为的小得多,它就能与观测值比较符合。

这类“如果”还可以举出一些,但是,不管情况究竟怎么样,是否有点道理,所有这些假说给人总的感觉就是:假说都是为了适应观测值的需要,而特意生搬硬套地“制造”出来的,不能解决什么根本问题。

有人将太阳中微子的“失踪”,跟太阳耀斑联系在一起。也有人认为,太阳中微子流的数量随时间而变化,可能与太阳活动存在着一定的关系。

有人主张太阳的组成成分、中心温度,与传统的认识也许有所不同,正是这些因素影响着中微子数目的多少。

有人指出,应该重新测定中微子的质量,也许能从这里找到中微子“失踪”案的答案。几乎已成定论的太阳核心热核反应过程,也许事实上并不完全是那样。再说,中微子从太阳飞到地球的8分多钟时间内,在奔走了1.5亿千米之后,它本身会不会表现出“疲劳”而变得“衰弱”些呢?

总而言之,已经提出来的假说真是五花八门,但都不成熟。看来,最好的办法莫过于继续加强观测和实验,进一步搜集和掌握更多的有说服力的第一手资料。

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