天体在大气层之外,宇宙天体是怎么运行的

央广网北京11月26日消息 据中央广播电视总台中国之声《新闻超链接》报道，近日，西安交通大学物理学院赵永涛教授团队与中物院激光聚变研究中心、深圳技术大学等单位合作，利用星光III强激光大科学装置制备了类白矮星H1504 65大气状态的均匀稠密等离子体，获得了软X射线及极紫外波段的上百条高分辨光谱，标识了若干新谱线，填补了15-90nm波段的天文观测空白。相关研究成果在《天体物理学期刊》在线发表。

白矮星是中低质量恒星演化的最终产物，银河系中近97%的恒星都会以白矮星的方式终结一生。有一颗编号为H1504 65的白矮星极为特殊，表面温度约20万开尔文，是目前发现的温度最高的白矮星。这颗白矮星的大气成分以及基本状态参数均基于天文观测光谱分析确定，然而部分观测谱线尚未被准确识别，部分波段受天文观测条件限制处于空白状态。

因此，在实验室开展类白矮星条件测量对于解释天文望远镜观测现象、确定星体状态和寿命、推测宇宙演化过程至关重要。

白矮星有何特征？为什么要研究H1504 65白矮星？如何制备类H1504 65白矮星的等离子体？大科学装置设备对科学发展有何意义？

白矮星H1504 65（图片来自Sliwinski, M.S. and Sliwinska, L.I. 发布于西安交大官网）

什么是白矮星？

白矮星是一种发光度较低，但温度和密度较高的恒星。因其颜色为白色，且体积较小，通常被人们称为白矮星。

白矮星的体积虽小但质量较大，所以拥有极高的密度。为了维持高密度以不至塌缩，白矮星需要依靠“电子简并压”，因此在物理学上，白矮星同时又可被称作“简并矮星”。白矮星的内部主要由碳构成，部分白矮星的内部由碳和氧共同构成，而白矮星的外部通常是氢气与氦气。

在宇宙中存在着大量的白矮星。中等质量或是小质量的恒星通过核热聚变后形成的“灰烬”就是白矮星，白矮星是大多数中等质量恒星最后的归宿。恒星每天都在发生着氢核聚变，氢核聚变是一个漫长的过程，氢核聚变会降低恒星的温度，当温度低至不足以支撑恒星继续产生剧烈的氢核聚变时，恒星就进入了较为稳定的白矮星状态。

即使宇宙中存在许多白矮星，但H1504 65白矮星引起了科学家的关注。白矮星的温度通常约为8000开尔文，但H1504 65白矮星的温度高达20万开尔文。且H1504 65白矮星外部的大气并不是氢气和氦气，而是温度非常高的碳和氧的混合气体，内部也因高温而存在氖、氦、镁等元素。

(a)实验室制备类白矮星H1504 65大气状态物质的实验设计以及诊断排布示意图

(b)实验室观测光谱钱德拉天文观测数据的对比（图片来源：西安交大官网）

如何制备类白矮星H1504 65大气状态的均匀稠密等离子体？

通常情况下，利用激光打一个样品的时候，样品会因为高温但密度不均的原因而快速膨胀。西安交通大学物理学院副院长赵永涛教授介绍，在此次制造类白矮星H1504 65大气状态的均匀稠密等离子体的过程中，研究者采用了将激光注入金枪的巧妙设计，先将激光注入金枪，再利用金枪生产X射线。X射线的穿透力极强，可以直接加热样品的内部，解决了样品温度、密度不均而快速膨胀的问题。

通过天文观测，研究者大致确定了H1504 65白矮星的温度、密度范围等数据，由此制备出了和研究目标非常类似的等离子体，该等离子体虽然大小只有毫米量级，且存在的时间只有10纳秒，但却足以支撑研究者对其展开观测工作。

对等离子体进行观测可以弥补天文观测的局限性。

首先，研究者主要是对所制备出的等离子体的光谱信息进行观测，将等离子体的光谱信息同天文观测得到的光谱信息进行对比，通过对比将天体观测中未标识的弧线标识清楚。同时，天文观测在信息传输的过程中有可能发生波段信息丢失的问题，对等离子体进行观测可以补充这方面的信息。并且，观测等离子体所得出的天体的温度和密度信息要比直接进行天体观测而得出的信息准确的多。

星光III强激光大科学装置还能完成哪些科学任务？

大科学装置指集合多种技术的大型科学装置，是人类解开未解之谜的重要工具。此次制备类白矮星H1504 65大气状态的均匀稠密等离子体所用到的星光III强激光大科学装置可以为聚变科学、天体物理学以及极端材料学等科学的研究提供强大支撑。

除了星光III强激光大科学装置，我国还拥有不少大科学装置。例如在“十二五”时期，我国启动了强流重离子加速器的建设项目，大批量的装置将在惠州建成。这一装置将是世界上功率最大的强流重离子加速器，未来主要用于核科学与聚变科学的研究。西安交大也建成了激光与粒子束科学技术研究所，赵永涛表示，将激光与粒子束应用到生活中也是将来科学研究的重要方向，医学领域将成为未来激光与粒子束应用的重要领域之一。西安交大承接了国家医学中心的建设项目，该项目的一号任务就是用加速器产生重离子进行癌症的放射治疗。

科学研究离不开大科学装置的支撑，我国也对大科学装置的发展投入了大量的资源，未来伴随着各项尖端技术的发展，我国人民的生活水平也将因此得到显著提升。

监制：梁悦

记者：刘鹤佳

编辑：杨扬 潘雨薇 彭毓姬

火星大改造，用温室气体能复制出第二个地球?

数个世纪以来，人类一直试图在火星上找到生命，或者希望至少能发现生命曾经存在过的蛛丝马迹。然而到目前为止，还一无所获。

如果火星真的毫无生气，不如将生命的种子散播在火星。我们或许可以更进一步，将火星的自然环境进行改造，把这颗荒凉干涸的红色行星照着地球的样子，变成一颗被绿色植被和蓝色海洋覆盖的星球。

听起来像科幻小说对不对？但真的已经有科学家开始研究利用现有科技将火星“地球化”，好为将来人类在火星定居扫清障碍了。

可能吗？

你别说，这事的确靠谱——不过远不如伊隆·马斯克号称要朝火星两极扔核弹的计划那般耸人听闻。

“认为核武器蕴含着巨大能量的想法是错误的，”NASA天体科学家克里斯·麦凯说道。“地球上所有国家的核武器全加在一起，能量也就相当于火星上半小时的日照。用核武器狂轰滥炸是无法改变一颗行星的，要达到这个目的，需要控制日照。”

按照麦凯和其他科学家的说法，人类目前已足具改变火星的能力。我们可以让酷寒的火星变得温暖起来，这点已经在地球上得到了验证。

“全球变暖正是以日照提升地球温度的一种方式，”麦凯称。“地球正在逐渐变暖。这并非因为核爆，而是因为日照。日照本身就是在地球上循环流动的巨大能量。”

NASA火星大气与挥发物演化项目组研究员迈克尔·查芬则认为，“如果想让火星变成地球这样，就需要将火星大气层变得更厚，这样才能保证水的存在。”目前，火星大气十分稀薄寒冷，使得液态水在地表稍纵即逝。查芬称，“如果你现在把一杯水带到火星上，倾倒出来，那么一部分会冻住，另一部分会直接沸腾蒸发，不论哪种情况都不会以液态长时间存在。”

但从理论上讲，如果我们能够将温室气体排放进火星大气层，我们就能够使火星地表温度升高，让液态水存在。更厚重的大气层也有助于提供足够压力使水保持稳定。

麦凯表示，实现这一目的的可行手段之一就是通过自动化工厂生产超级温室气体或者全氟化碳。这些化合物会锁住火星上的阳光，又不会破坏火星脆弱的臭氧层，也不会对人类居民造成毒害。

要使火星变得温暖而适宜居住，据麦凯估算大约需要100年时间。在那之后，我们就可以给火星添上一抹绿色了。绿植会不断吸入二氧化碳，释放出氧气，逐渐火星大气的化学成分，令其更适合生物呼吸。这一过程大约需要花费上万年。

虽然听起来漫长无比，但想想地球已经存在了40亿6千万年，相比之下数千年好像也不算太糟了。

实际困难

不管以何种方式进行地球化都需要考虑到一点：火星上已经有一部分温室气体了——比如二氧化碳。如果不将这部分气体计算在内，火星的温度搞不好就会飙过头。

"我们想做的是把火星变得像地球，而不是金星。"麦凯说道。尽管体积近似，金星的大气层可比地球厚得多，包含多种温室气体，其地表温度甚至可以将铅融化。不仅如此，金星的表面大气压强更达到了近乎地球3000英尺深海处的压强。

麦凯最近正在研究如何算出火星两极冰冠下被冻住的二氧化碳量。目前得出的估值远远小于让火星变暖所必需的量。同时，科学家们也想在启动地球化之前确认除二氧化碳外还有其他多少种温室气体。

有人担心即使即使重建了火星大气层，随着时间的推移，这层人造大气也会逐渐散去。“这种想法是对的。”麦凯说。“这层大气会再次消散掉。太阳系中本就没有永恒不变的东西。”然而据科学家的计算，火星失去大气层大约要用1亿年。在太阳系的历史中，这或许只能算得上是弹指一挥间；然而相对于人类增厚大气层的努力而言，这已经是长得够本了。

异曲同工

金星、火星与地球之间的差异是显著的。金星太热，火星太冷，地球则刚刚好。然而这三颗行星的地质结构都是多岩的，个头也都算中等。在很大程度上，人类在地球上建立起的长期气候模型也适用于其他两者。我们只需要顾及大气层厚度、体积及各自与太阳间的相对距离。

尽管如此，火星气候史上还有一些方面对研究者来说仍是谜团。

“所有发射到火星上的探测器和围绕火星展开的观测都向人们展示了火星早期曾存在水的证据。”查芬说道。“回到40亿年前，火星上一定有过湖泊和河流，至少在短时间内如此，这样才会留下我们如今见到的这些特征。那么问题来了。火星大气层经历过什么样的变迁呢？”

这时就需要NASA火星大气与挥发物演化项目组披挂上阵了。从2014年以来，NASA的探测器就在围绕火星分析其大气构成，测量辐射和带电粒子，并将数据发回地球。负责分析这些数据的科学家们正在试图找出火星失去大气层的原因。

“火星大气层失去带电粒子的速度差不多达到了每秒四分之一磅，但这仍不足以解释为何火星大气层会消失。”

火星的大气层仍疑云重重。其中一些谜团不仅与当前的科学研究息息相关，也关系到人类在未来的生存抉择。

值得吗？

人类已经在梦想着建立火星永久基地了。如果能够实现，人类将面临着苦寒及高强度辐射的严峻考验。在这种客观条件下，火星地球化对新一代太空移民来说意义重大。为什么不把我们的新家变得更像地球，让自己住得更舒服呢？

我们已经知道人类有能力提升一颗行星的平均气温——地球上的全球变暖现象正是这种表现。而这种令不少有识之士担忧的气候现象，对于人类定居火星或许反而大有裨益。

然而，对火星进行地球化大改造的过程中，我们也可能造成永久性的伤害。万一我们在火星上发现生活在非地球化环境下的微生物该怎么办？在那种情况下，改变火星环境将意味着灭绝外星生命。那将变成一小撮外星人与全体地球移民的利益较量。

“在地球上，我们都知道要保护生命和自然环境，在这点上所有人都是一致的。而在火星上情况就不一样了，人类的行为将不受统一价值观的制约，什么该做、什么不该做将没有一个统一的标准。”麦凯分析道。

随着移民火星的话题日渐热门，这样的讨论将变得越来越重要。我们的目光将从改造火星转向更长远的方向，探索出新的道德准则及行动纲领。

【编译：未来论坛（微信ID：futureforum） 商白 来源：Popular Science  作者：Mary Beth Griggs  】

宇宙中存在着难以计数的恒星，它们的能量从哪来？

科学家们认为总有一天可以在地球上制造星星，要做到这一点，必须使用能承受极高能量的仪器，需要能承受1亿度高温的巨大环形结构。其中超乎想象的极强磁场捆绑着氢燃料！必要的条件如此极端，所有的造星实验都引起了紧张的关注。欧洲联盟环形加速器启动磁铁，使电流通过环路。首先要分解构成物质的最小粒子原子，然后高速碰撞融合，产生星光，即我们地球上形成的小星星。

虽然只持续了很短的时间，但科学家们成功地复制了宇宙中最大物体的内部反应，恒星的形成反应。科学家之所以能这样做，是因为他们知道最小物质单位原子的结构特征。每个氢原子中心都有质子周围的电子，沿着某个轨道围绕质子运动。在足够的热量和压力下，旋转的电子在中心质子旁边剥离，充分的原子剥离电子，制作等离子体，制作分离粒子形成的汤锅。如果能满足极端条件，就会发生惊人的事情。

质子带正电荷，所以互相排斥，保持距离，大多数情况下只是擦肩而过。但是，当能量足够高时，它们会互相剧烈碰撞，有时会合而为一，那就是融合反应。当四个氢质子最终融合时，氢会变成氦，产生释放巨大能量的新元素。天体物理学家发现的宇宙慢长城长度超过13亿光年，目前宇宙观测的范围近900亿光年，那么宇宙究竟有多广阔呢？武汉？一切都是个谜宇宙万物在彗星、地球、太阳、银河系都在高速运动，银河系以600公里/秒的速度运动，这么快的速度源自什么？

这一切只能说明宇宙中更强大的超级天体产生的重力围绕着所有星系运动，而地球上形成的风暴需要地球以吸引力来平衡温暖潮湿的大气。局部压力失控形成风暴，风安悬臂结构与银河系非常相似，因此在宇宙空间形成星系需要额外的力量。这只能说明宇宙有中心，人类无法观察到的宇宙天体运动的力是基本粒子之间的相互作用这条通道由两个世界的正反物质相互吸引，不断消亡，释放出强大的能量。如果这是真的，恒星的能量来自核聚变的理论将被重写。如果这个通道存在，当物质粒子迅速冲向通道时，它可能会吸引周围的乙醚，从而产生乙醚。