目前宇宙中热门的研究对象有哪些？ 王力乐，歪楼狂魔。此人大脑不发达，大家都要支援他！ 我就不安利自己的研究内容了，说些其他人没说过的（我还确实有可能把第一代恒星的相关研究当成博士论文）…… 超长预警！不过图片不多。 1. 第一代恒星（“星族 III”）的形成与演化 虽然上面已经有人提到了，但所述内容稍稍有些大。我来试试降解并具体化。 不管你赞不赞同奇性定理和大爆炸本身，在许许多多的证据面前，你也不得不承认，在极早期，宇宙是极端高温、高密度、对辐射不透明（或者干脆说，全宇宙都是亮的），且（相对而言）物质分布相当均匀的。那个时候，怎么可能会有恒星存在呢？ 宇宙继续膨胀，温度和密度下降；辐射便得以在宇宙中自由穿行，而辐射本身变得黯淡的速度，比物质变得稀疏的速度，还要快得多。宇宙很快陷入一片黑暗——现在的研究者，喜欢管这叫宇宙的“黑暗时代”（Dark Age）。 但是，黑暗不可能永续，否则我们也不会有今日的亿万星河了。于是，总有一个时候，黑暗中，诞出了第一颗恒星，第二颗，第三…… 当然，也有可能是类星体（正在吃东西的大黑洞）划破了宇宙的黑暗，但那是另一个话题了——毕竟，恒星是人们认识这个宇宙的最基本单位之一。 那是一片与今日完全不同的星河。 这些恒星中，体型巨大者，应该不会少——至少，在那个时候，用于形成恒星的物质更加充足；再辅以其他诸多的原因，大家都认为，它们常常可以大如上百甚至几百个太阳质量。 比如，一个可能的原因是，那个时候的宇宙，除了氢和氦之外，更重的元素非常稀少。恒星想要形成，构成它的气体（一般叫做“分子云”——里头的氢绝大多数以氢分子的形式存在），是要一边塌缩一边通过辐射的方式损失热量的，否则这热量会使气体在达到足够点火的密度之前达到与引力的平衡，便也不能继续塌缩了，只好慢慢弥散。较小质量的分子云塌缩和冷却，受重元素缺失的影响更大，在宇宙早期也就更难形成；如是，人们便认为，第一代恒星，基本都是些巨无霸。 顺带一说，天文学家喜欢甭管他们是不是金属都管它们叫“金属”——记得有人考据过，原因是，仅重于氢氦的第三号元素锂，就是个金属。在天文学家眼里，这个宇宙中，数量（原子数和总质量）最多的“金属”，大概是碳和氧。当然，当物质密度比较高（比如在木星中央），直接把晶体的布里渊区挤得变形，电子便会从边界溢出来，造成非全满、非全控全空的布里渊区，那么甚至连氢都会变成真正的金属的；不过，这是另一个还算挺有热度的研究方向，算是我没能力胡诌的东西了。 大归大，却也肯定不会是无限大的——恒星的光度会随着质量的增加而快速增加；在大约二十倍太阳质量之下，光度与质量的 3.5 到 4 次方成正比；在二十倍太阳质量以上，则与质量本身成正比。如果有无穷大的恒星，我们就会看到无穷大的光芒——可是并没有。而且，两百倍以上太阳质量的恒星，如果长期存在，是会留下很多东西的；但我们并没有找到这些东西。 是什么决定了决定了第一代恒星的质量上限呢？ 人们提出了这样一些猜测： 由于动力学因素，更大的恒星形成起来也会遇上困难。想提出这样的理论，要详细论证，究竟是何种机制或现象，使得更大的恒星反而变得更难形成了。 起初，形成的恒星的质量其实很大，可是，这些“超额”的恒星，通过各种途径（比如抛射物质，或者星风——跟太阳风基本一个意思）损失了很多质量，使它们在安定下来之后，稳定在一个相对小一些的质量上。这样的理论，必须给超级恒星损失质量的速度给出足够好的解释。 早期恒星极端缺乏金属，所以，对大质量恒星更为高效的一种燃烧氢的机制，是难以展开的。这种机制，称为“碳氮氧循环”；这个机制需要碳、氮和氧原子核，以此作为催化剂（严格地说，“催化剂”的说法是不正确的，因为碳氮氧循环并不保证反应前后碳氮氧的原子核数量不变）。如果质量大到一定程度，则这种机制的缺乏，会导致超大质量恒星无法产生足够的辐射以抗衡自身引力，然后它们要么炸了要么变黑洞了。 到底哪个是对的？或是，它们都对，亦或是都不对？ 以及，这样的恒星，究竟以何种方式结束它们的生命——是超新星爆发后留下黑洞，还是直接炸个精光，亦或是根本不爆炸直接变黑洞？它们在生命的各个阶段生产重元素的效率有多高？重元素在核心附近产生后流散出来的机制又与后来的恒星有什么不同？ 千千疑问，如是等等。 即将在“近期”（这个“近期”说了十几年了……）发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜（缩写为 JWST），就担负了从观测上探索第一代恒星的使命，而这也是许许多多对此感兴趣的天体物理理论工作者翘首以盼的——毕竟，实实在在的观测数据，比任何或天花乱坠或完美无瑕的理论都重要得多。 2. 超新星的爆发机制 这是 Fowler & Hoyle, 1964, ApJS, 9, 210 的题记；论文标题：《大质量恒星和超新星中的中微子过程和正负电子对产生》，超新星理论研究的开山之作之一。 稍有天文学常识的人都知道，质量足够大的恒星，都会以超新星爆发的方式，结束自己作为恒星的生命。这类超新星通常是 SN II（汉语读作“二型超新星”），也会有 SN Ib 和 Ic（读作“一 B 型超新星” 和 “一 C 型超新星”），它们被统称为“核塌缩型超新星”——顾名思义，人们认为，它们爆发的起点，是演化到晚期的恒星由于各种原因无法支撑自身重力，而开始塌缩，直至反弹爆发。 为啥塌缩反而会引起爆发？因为有一部分物质“塌陷”得更深——形成中子星或黑洞，而它们塌陷时释放的能量通过某些机制传递给塌陷得较浅的物质之后，后者便可以得到足够的能量“飞走”或者说“被炸掉”了。 除此之外，还有一种叫做 SN Ia （读作“一 A 型超新星”）的东西；它们爆发的原因大致是，简并物质的核燃烧是不稳定的——主序恒星中，如果核燃烧速率稍许增高，则温度的升高会使得星体内压强增加，进而星体膨胀使密度降低，由此制约核燃烧速率的进一步上升；但白矮星之类的简并星体，压强是与温度几乎无关的，因而缺乏了这种制约机制，使得稳定的核燃烧成为不可能，最后只好终结于一次巨大的爆炸。SN Ia 事实上被人们当做光度的标准，用来研究宇宙的演化历程（可以搜索“2011 年诺贝尔物理学奖”）。 下面专说 SN II。 在我们的宇宙中，超新星实在是太常见了，平均每个足够大的星系每大约一百年或几百年就会炸掉一颗。考虑到可观测宇宙中星系的庞大数目，我们每年都能找到上百个直至几百个超新星。 按理说，这么广泛地存在和发生着的现象，应当早就被人类搞清楚了吧？ 很遗憾，其实，说极端点儿，没人真正明白，在核塌缩的过程开始之后，超新星里头到底发生了什么…… 在早期，人们设想过各种各样的超新星爆发的机制。最主要的猜想之一是，爆发是由中微子引起的。在塌缩开始之后，恒心内核及附近被急剧压缩到一个极高的温度和密度；这时，物质对中微子不再透明。核心在此时释放大量中微子，以千钧之势，推开了核心附近的物质，同时造成了一个非常强烈的激波（差不多算是俗称的“冲击波”）；而这个激波，正是炸掉外壳的根源。 可是，人们发现，这个激波，在穿越物质高度致密的区域时，会在那里停滞。一个停滞的激波，至多只能减缓外围物质的流入，却绝不会把外壳给炸开。 在 1985 年，汉斯·贝特（1967 年诺贝尔奖得主，也在 乔治·伽莫夫 那篇关于宇宙大爆炸的文章中玩笑性地挂了个名）就与他的学生发表了一篇文章，指出了解决这个问题的可能途径：超新星爆发时，中微子是分两次释放的；其中，第二次释放，正是重新“激活”这个激波的关键。 这个故事比原先的复杂得多，于是受到不少质疑和争议：一个复杂的故事，总是不受欢迎的。 但在 1987 年，大麦哲伦星系中炸了个超新星：SN 1987 A。这兄弟自爆之后，炸出了三个环，跟烟圈儿似的： （图片来自 wikimedia，应当是公共领域的图片，由欧洲南方天文台的 VLT 观测得到） 能见证 SN 1987A 的人们很幸运——俺就没有了，那时俺父母都还没结婚呢，俺大概还以分子形态散落在世界各地吧。彼时，全世界的天文学家和高能物理研究者（甚至包括少数搞凝聚态的——他们中有人对致密星体的物态方程和输运过程感兴趣），都像打了鸡血一般，疯狂地工作着。幸运的原因是，这个超新星离地球相当近，使得日本的超级神冈中微子探测器可以探测到它放出的中微子。结果，人们发现，这个超新星的中微子，是分两批到达的——这应该是 汉斯·贝特 的理论的一个重要验证吧。然后，理论研究者们开始跟进，试图在计算机上模拟（纸笔推导已经大大超出人类的能力范畴了），得出超新星的爆发过程，而且看上去进展颇丰。 看来是一片皆大欢喜的样子，似乎“超新星爆发的基本机制”这一问题，从此可以像主序恒星的基本结构那样，被归入“已经被解决的问题”之内了？ 想得美。 2003 年，这样一篇文章，被发表在物理学界头号期刊《物理评论快报》上，标题是 Improved Models of Stellar Core Collapse and Still No Explosions: What Is Missing?，翻译成汉语大致是《改进的星体核塌缩模型，还是炸不掉：到底缺了啥？》 Phys. Rev. Lett. 90, 241101 (2003) 文章的作者来自德国的马克斯·普朗克研究所（大致相当于德国的国家科学院）；他们在国际上都是超新星模拟领域的头几号人物。这一群也许算得上所谓“权威”的人们，事实上是最早发表“成功的超新星爆发计算机模拟”之类结果的那批研究组中的一个。而发表该文章前的那一阵子，他们更换了更可靠、更接近真实情形的关于中微子传播的模型和算法，按理说，应该做得更接近真实才是？可是，这么一弄，“计算机里的超新星”反倒炸不开了，而且好像怎么弄，都死活炸不掉。 此文一出，整个天文界便像经历了一场地震，余震至今也未完全消除。 每次摆出这篇文章，都几乎一定会被这样反驳：“这篇文章太老啦，结构也被假定是二维的；况且，那些都是十几年之前的事儿了；超新星爆发的数值模拟，在那之后，肯定是取得了长足的进步的。” 确实，进步是有的；但我仍然听得许多相关人员说，为了让一颗“计算机中的超新星”炸开，许多参数——特别是与中微子输运有关的参数，仍然必须被相当精细地调节才行。如果一个模型拥有众多“自由参数”，却被用来描述一种几乎无比普适的现象，这至少是非常有悖于绝大多数自然科学研究者的价值乃至审美取向的。毕竟，冯·诺依曼说过这么一句众所周知的话：“给我四个参数，我能拟合一头大象；再给我一个，我能让这货摇鼻子。” 然后人们就只好继续开脑洞，有把机制编写得越来越复杂的，有另辟蹊径、大开脑洞的（比如认为接过第一批中微子的接力棒的其实是光子；北大有一个研究组就此发过 ApJL，俺年轻的时候也在此掺和过一篇 MNRAS…… 咳咳，黑历史，不提了），可这些东西到底有多可靠，其实谁也说不清。 不仅是 SN II；“SN Ia 到底是怎么炸的”，至今也同样是一个研究热点——诚如楼上所说，原来设想的“吸积突破钱德拉塞卡质量上限”的机制，现在看来，并不是那么可靠。不过，SN Ia 又常常在宇宙学中充当“标准蜡烛”，所以这方面的研究，弄不好还会牵一发动全身，影响到宇宙学的某些结论。 SN Ib 和 Ic 又是另外的故事了，在此按下不表。 这些问题其实都不是坏事：从科学史来看，一个或一系列悬而未决的问题，往往更能引发和带动更深入的研究和思考，带给人们更多的惊喜。时至今日，几乎每一个开设天文 / 天体物理方向的主要学校或研究所里，都几乎一定有一个教授 / 研究员认真从事相关的理论或观测研究工作。 骚年，你也来炸一发不？ 3. 黑洞 受到某些对广义相对论完全无知、对数值分析比无知就好那么一点的研究人员影响，有人会认为，“黑洞是否存在”，应当是个足够热门的研究课题——你看霍金他们不整天都在吵这个么？ 哎，霍金和 Kip Throne 他们吵的东西，与这些连电磁场的能量——动量张量都不知道怎么写然后声称辐射场没有引力效应、不明白事件视界定义然后硬把粒子视界当事件视界说事儿的人们吵吵的东西，根本就不是一个东西。 北师大的赵峥老师下课时与我们聊天，说道，在每一个还可以的大学的物理系，你都能找到许多懂得量子场论的人，而且很少有人就量子场论的事情发表奇怪意见，因为这些奇怪意见很快就会遭到懂行者的批驳乃至嘲笑；可是，广义相对论的境遇，就要差得太多，能反驳某些似是而非的奇谈怪论者，往往都是些嘴上无毛的学生——没办法，大部队都去干凝聚态了…… 现在，靠谱的研究者们对黑洞的关注，其实集中或相近于更接近观测的方面。下面举三个例子，顺序大致是，更接近观测 --> 观测与理论交汇 --> 更纯粹的理论。 超大质量黑洞与宿主星系的关系。 众所周知，星系中心，常常会有一个（少数情形下不止一个）超大质量黑洞。名字里带了个“超大质量”，质量自是不小；可它们比起宿主星系，却又实在是小得可怜——比如，银河系中心的黑洞质量是四百万倍太阳质量，而银河系的总质量是一万亿倍太阳质量。 诡异的事儿来了：人们发现，这黑洞比起整个星系固然是小得可怜，但它却与整个星系的许多重要性质有明显关联。 人们一度认为，星系的形成和演化的时间线上，充斥了各种各样的吞并。在许多次吞并过后，由于中心极限定理，起初并无关联的黑洞性质与星系整体性质，便会出现许多“关联”。可是，这个假说被观测推翻了：它所给出的宇宙历史上的活动星系核（简称 AGN，差不多就是星系中心那个黑洞正在吃东西时的样子）的光度的统计数据，与观测完全不符（呃，其实俺当时也参与了这事儿，只是那个项目最后烂尾了）。 于是，人们便更倾向于认为，是活动星系核吃东西时那部分“落下”或者“吃不了吐掉”的“食物”，远离黑洞之后，对整个星系构成了影响——此所谓“AGN 反馈”。可这“反馈”的故事，也是越写越复杂，还得把黑洞本身长大的物理过程牵扯进来。人们在对此事充满兴趣时，也不得不留个心眼，免得理论研究者们哪天喝高了，又开出什么八竿子捅不着的脑洞来。 黑洞附近的时空几何对黑洞附近吸积流的影响。 电影 Interstellar 中，那个巨大黑洞的样貌，随着电影一同深入人心。当然，这里纠正很多人的一个错误认识：那个黑洞的影像中，吸积盘是侧对我们的那个圆环，正对我们的圆环，是吸积盘发出的光在黑洞附近绕弯之后形成的像。 黑洞吞吃周围物质（就是所谓“吸积”，吸引和积累）时，由于角动量守恒，这些物质只能耗散掉平行于角动量方向的运动，而最终形成一个盘状物，物质在盘上一边公转一边慢慢往里走（其实也有少量物质在慢慢往外走，在此按下不表），是谓“吸积盘”。吸积盘之中，在足够接近黑洞之处，会被辐射充盈；辐射在此有着传递能量和制造压强的作用，这都使得吸积盘有着自己独特的结构。 但，既然在黑洞附近，光线所行走的时空，自是被黑洞严重弯曲过的（不太建议用“扭曲”，因为“扭”在数学上有其不同于“弯”的内涵，会蕴含着一个叫做“挠率”的东西；挠率的存在，又会导致很多其他的新奇现象，有人甚至提议用挠率模型替代暗物质模型，在此不表）。这种弯曲，会使得辐射的传递过程变得不同寻常。这会对我们目前对黑洞吸积盘的认识产生多大冲击？我所认识的几个大牛，已经一头扎了进去，想要弄出个所以然来。 黑洞信息问题。 人们常说，黑洞只有“三根毛”：质量，角动量，电荷量；只需这三个量，应该就能描述这个黑洞了。而黑洞在蒸发时，放出的辐射，也是仅仅与这三个量有关系的，而不会携带任何其他信息。看来，物体掉入黑洞时，它所携带的信息，看样子全都丢失掉了。 等等。不是说有 AdS-CFT 对偶么？这套理论说，正在蒸发的黑洞的时空结构，可以被在数学上一一对应地严格映射为另一种理论，而这“另一种理论”中，信息是严格守恒的。与此同时，蒸发的黑洞，可以是以某种特定状态吸积的黑洞的反演；如果正确量子引力理论是 CPT 不变的，则黑洞在吸积时，其本身也应该严格地使信息守恒（赵峥老师曾经试图从热力学非可逆过程来解决这个问题，但这应当是跑偏了）。 这两点之间的矛盾，常被称为“黑洞信息佯谬”。（说错了不要揍我，以上内容都来自 Joseph Polchinski 来作报告时俺做的笔记，俺的知识太浅薄，只能将将听懂一点，可能会记错东西；况且，我自己也不是专门做这个的……） 那么，在黑洞的事件视界（被视为黑洞的边界）处，是不是可以有什么“防火墙”，阻止黑洞内的信息外泄？或是，更激进地，我们关于时空的双曲性的假设存在问题？ 这些问题，大概得等着世界上最聪明的那些脑袋们来解决了。 4. 高能天体物理仪器 我们怎么看天上的东西？ 答曰，废话，这还不简单，用望远镜呗。 呃，这还真不一定是个简单的问题。想做个 X 射线的望远镜，真是难上加难。 看官说了，我就知道地面上的 X 光机满大街的医院里头都是，你咋说 X 射线不容易看呢？ 啊，X 光机所看的，不过是个影子而已；近处的东西，看个影子，当然能看个大概；可咱要是想给远处的东西照个相，靠影子可就不好使了。 想做望远镜，第一步，便是将光线（甭管他什么“光线”，无线电波也好，红外也好，可见光也好，紫外也好，X 射线也好）聚焦；而聚焦所需的事儿，是改变光线的方向。 这还不简单？凸透镜也行，凹面镜也行啊，初中物理课早都教过了嘛！ 问题就出在这里了。对于几乎所有材料来说，X 射线在其中的折射率，都几乎是 1。这就意味着，X 射线基本不可能被任何常见材料折射。就算某些能量的 X 射线能在某些材料中被有效折射，可这种事儿往往发生在某些特殊的能量值附近，而且色散特别大——戴眼镜的、拍照的，大概都知道“色散太大”会是一种什么样的折磨，而这些色散在 X 射线在那些特定能量处所遭遇的色散完全不能比。 同时，靠反射也不行。X 射线——特别是能量比较高的 X 射线——能轻易穿透很多东西（否则也不会拿它做身体检查了）。而且，画过光路的人都知道，一个普通的凹面镜在对远处物体成像时，是会有入射角接近零度（或者说，掠射角——90 度减去入射角——接近 90 度）的时候的；然后我们来看看 X 射线反射率与掠射角的关系： （图是从 Harvard CXC 网站上扒的） 掠射角还不到 60 度，反射率就基本上变成零了；这个凹面镜还咋做啊…… 人们想到了替代的办法。你凹面镜的样子，不是差不多能算是抛物线（面）的底部么？反正抛物线对平行光的聚焦性质在各处是相同的，那我用抛物线的上头来做，这不就增大了入射角（减小了掠射角）么？对了，纯粹的抛物面，会导致离轴光线聚焦质量急剧下降，那我们再上个掠射的双区面来改正一下吧。整个东西看上去就像这样： （图是从 STSCI 网站上偷的） 别急，事儿还没完。这个系统有好几个严重的麻烦： 有效面积太小。你做了个很大的反射体系，结果却只能收集到圆筒范围内的 X 射线的一小部分——您应该知道“投影”这个词是什么意思吧； 焦距太长（否则掠射角又得变小，先前的努力又白费了），这会导致望远镜的视野过小； 最重要的，X 射线 + 掠入射，对镜面的加工精密度和准确度都提出了变态的要求。想要良好成像，反射面所应有的最大不平整度，大致是正比于你想成像的波长的。射电望远镜的主“镜面”，可以粗糙成这样： 这是 Arecibo 射电望远镜的“主镜面”——这连个面都不是，根本就是个架子嘛——射电波的波长够长，这个彻底够用了。我们日常所见的镜面，自是光可鉴人，可那个东西对 X 射线来说就跟砂纸一样。钱德拉 X 射线望远镜，主镜面直径 2.7 米，加工精密度：正负 1.3 微米。 什么概念？正负一万个原子。 麻烦这么多，咱还是别玩儿了吧…… 可是，正在吸积的中子星、黑洞什么的，可一直在发射 X 射线呢，而且这些 X 射线揭示的都是最接近星体那部分区域的结构；难道就这么不看了？ 这时候就轮到财大气粗的美帝出场了。钱德拉 X 射线望远镜，正面硬扛以上麻烦，大力出奇迹；造价：16.5 亿美元，1999 年币值。对了，地球大气还会把 X 射线挡个精光，你得把这玩意儿送上天，于是又花掉三亿美元发射费用；后续的运行、监控、给科学家拨款吃饭，还得再砸进去三个亿。 国内也很快要发射一个 X 射线调制望远镜（通过某种有点儿像“扫描”的特殊手段间接成像，避免以上部分困难）；你现在知道这有多不容易了吧。 钱德拉望远镜要是哪天坏了（这很有可能发生，前一阵子那台专门找太阳系外行星的开普勒望远镜就坏了），做 X 射线天文学的研究人员中，起码有三分之一会有饭碗问题。况且，就算是美帝，也会有揭不开锅的时候…… 怎么办呢？用廉价轻质材料，牺牲成像精密度，换取更有效的 X 射线光谱观测，这便是 NuStar 望远镜。 还有。了解射电天文学的人，大致都知道，射电天文中，有一个被称为“长基线干涉技术”的观测技术，通过组合相距较远的两台或多台射电望远镜的观测数据，等效地扩大望远镜口径以提高分辨率。University of Colorado at Boulder 的一帮大牛，打算把相近的技术，运用在 X 射线上： http://casa.colorado.edu/~wcash/interf/Interfere.htm 这个东西，若是哪一天被扔上天了，一定是大快所有（搞 X 射线天文的）人心的大好事。 如果能量再上升，掠入射系统也会不好用了。这时，人们采用一种叫做“编码板”的技术。这大致是对小孔成像的拓展：编码板本身是一块儿有些地方透光有些地方挡光的板子；使用时，记录下编码板的影子，再与编码板本身的形状进行一种叫做“自相关”的数学运算，便可以大致得出天体的影像。所以，下面这个东西上，那个黑黑白白的“Coded Aperture Mask”，其实也是个望远镜的“镜”： （这是 SWIFT 空间天文台的图片） 不得不说，这么做，实在是无奈之举。如果谁能发明一种对高能 X 射线真正更好成像的技术，相信我，他可以考虑买套礼服，等着斯德哥尔摩的电话了。 再往上加能量，便是所谓的“对产生望远镜”，通过对高能 gamma 射线光子产生的正负电子对的路径的记录，得到原本的 gamma 光子的信息，“代表作”是 Fermi LAT ： （图片来自 http://stanford.edu） 可这个“望远镜”的分辨率就更是感人了…… 虽然也不耽误它做出许多重大发现。有没有更好的办法呢？人们也正在寻找…… 继续往上加能量。此时，不管来者是光子、电子还是质子（其实质子最多），都会在地球大气里头引起切仑科夫辐射： （来自 http://mpi-hd.mpg.de，马普的高能所的网站） 大致就是一个高能粒子打出一堆稀奇古怪乱七八糟的东西，然后这些东西里头的光子被“切伦科夫望远镜”——专门盯着这种东西看的望远镜——给看到了（图中还画了其他仪器，按下不表）。这是一套叫做 VERITAS 的切伦科夫望远镜： 说这几个望远镜整天在看空气，真是完全准确的——毕竟，切伦科夫光就是从空气里来的。 顺带一说，这些引起切伦科夫辐射的高能宇宙线的能量，不知比 LHC 高到哪里去了。那些整天阻止 LHC 说这要毁灭地球毁灭宇宙的家伙，真是无知至极：他们不知道，宇宙中无时无刻不在产生几百万到几亿倍于 LHC 能量的超级高能粒子。人类历史上记录过的最高能的粒子，被人们叫做“Oh-My-God 粒子”的那个质子，所携带的能量有 50 焦耳，等于一支能杀死人的高级气步枪的子弹出膛时的能量，是 LHC 能量的三亿倍。 现在，许多做高能物理实验的人，已经把目光转向天空了。 李然，研究天文学的狐狸 说说宇宙学里没有解决的大问题，这里每一个问题都有至少上百的科学家在研究： 1.大爆炸是怎么回事？ 现在的假说认为，宇宙早期经历过暴胀时期。在极其短的时间内，宇宙体积增加了 10 的 26 次方倍，这也就是所谓的大爆炸理论。暴涨模型解释了宇宙微波背景辐射来源和宇宙准平直疑难以及宇宙视界疑难。但是暴涨的具体机制如何，为什么会触发暴胀，人们还不清楚。现在天文观测上唯一的手段是探测暴胀期间引力波在微波背景辐射（CMB）上留下的痕迹。但到目前为止，还没有观察到确切的信号。在未来，会有更多的观测设备致力于此。 关于这个问题可以参考“宇宙大爆炸第一波的引力波震荡是怎么被探测到的？ - 物理学 ” 图一.Bicep2 研究组在 2014 年宣称自己找到了宇宙极早期引力波留下的痕迹.但后来证明，他们看到的信号可能被尘埃辐射污染，不能成为坚实的证据。但是后续的观测和下一代仪器正在热火朝天进行中。 2. 宇宙的黑暗时代是如何结束的？ 宇宙的早期是一个高热高密度的地方。宇宙的各处都充满了光明。 光子在充满宇宙的自由电子间游走。但是随着宇宙膨胀，温度渐渐冷了下来。原子俘获了活力下降的电子。而光好像指缝间的水一样一下子流走。从宇宙早期光子和电子最后一次散射，到第一代恒星形成之间，宇宙经历了漫长的黑暗时代。宇宙脱离黑暗的这个过程被称作再电离过程。 是什么时候宇宙脱离黑暗？ 是什么使得宇宙脱离黑暗？是第一代恒星？还是第一代星系？又或者是小型类星体(mini-quasar)？ 现在的观测倾向于认为再电离可能不是一下完成的，早期的星系可能对再电离的贡献最大。但是观测上证据还很少。需要下一代大型望远镜去探测早期星系的光度函数，人们甚至希望下一代空间望远镜可以直接观测到第一代恒星。 图 2. 观测中已经证明再电离在宇宙诞生后 10 亿年完成。但是再电离过程的细节还没有完全解开， 参考科学网—宇宙再电离 3. 星系为什么是现在看到的样子？ 按照现在的星系形成理论，宇宙中暗物质先于可见物质成团。重子物质落入暗物质势阱中，聚集塌缩形成恒星。星系就是恒星的聚集体。这个理论模型现在被广泛相信。但是模型距离完美解释观测中星系多样化的观测性质还很远。这里面有很多热门的小问题，人们已经有了一些理解，但是还没有完全解决： 星系中的恒星形成历史是怎么样的？ 如何解释观测到的椭圆星系和漩涡星系比例？ 星系中的伪核球是如何形成的？ 椭圆星系中含有多少暗物质？ 为什么银河系观测到的卫星星系比理论预期少？ 为什么星系群中的卫星星系比理论预期的更红？ 黑洞吸积过程产生的能量反馈是如何影响星系中的恒星形成的？ ...... 图三.星系形成理论认为今天的星系都是由宇宙早期的小星系慢慢吸积物质，或者并合形成的。并合方式和并和历史的不同，产生了不同的星系形态（椭圆星系或者旋臂星系） 4.暗物质本质究竟是什么？ 引力透镜观测和星系旋转曲线观测都告诉我们宇宙中存在大量的暗物质。结合宇宙微波背景辐射和星系巡天观测，我们知道暗物质占宇宙质能组分的百分之 23，占宇宙物质组分>80%. 但是暗物质的本质是什么？是一种什么粒子？是弱相互作用大质量粒子(WIMPs),还是轴子，或者其实是惰性中微子？是否能够从星系中心或者星系团中看到暗物质湮灭的证据？ 从现象学上说，暗物质究竟是冷的还是温的？冷暗物质可以形成极小质量的暗晕，而温暗物质宇宙中不存在极小质量的暗晕。天文观测上，我们如何探测这些极小质量暗晕？ 图 4. 计算机数值模拟结果。Lovell et al. 2013 上图是冷暗物质宇宙中的暗物质晕，下图是温暗物质宇宙中的暗物质晕. 冷暗物质宇宙中有更多小团块。可参考拙作丢失的星系 - 天淡银河垂地 - 知乎专栏 5. 暗能量是什么？ 暗能量的存在使得宇宙加速膨胀。暗能量占宇宙质能组分 70%强。暗能量是什么？是真空能吗？暗物质能量密度是否随红移演化？暗能量状态方程是否随红移演化？暗能量是否真的存在，还是说我们需要修改引力理论？从天文观测上，我们需要结合弱引力透镜效应，微波背景辐射，超新星观测，重子声速震荡观测等等一起来解答这个问题。 图 5.Ia 型超新星是宇宙中的标准烛光，可以用来测量宇宙空间的膨胀速率，从而推导宇宙中的暗能量成分。超新星和暗能量可参考拙作 超新星—测量宇宙的烛光 ———————————————— 更多讨论，在 知乎圆桌 · 宇宙那么大 查看知乎原文
