宇宙中的八大“最”

许槑

(中国科学院 北京 100190)

英国新科学家(New Scientist)周刊2011年3月5日的一期刊登了Stephen Battershy的题为Cosmic Show-stoppers的长文，描述了宇宙中八项之最(大、快、热、冷、暗、亮、圆、密)的事物.现介绍于下.

1 宇宙中最大的

最大的行星：太阳系中最大的行星是木星，它是一个由氢和氦组成的气体巨行星.2006年发现的被命名为TrES-4b的天体也是一个气体巨行星，它围绕着一距地球1 500光年的亮星运行，其直径约为木星的1.8倍，但其质量只是木星的88%,从而其密度约为0.2 g/cm3,比软木塞还要蓬松.在发现此天体不久，又发现一距地球约1 000光年的太阳系外的被命名为WASP-17b的行星，其直径约为木星的两倍而质量只有木星的一半，比之TrES-4b还要松软.

最大的恒星：被命名为大犬座VY的恒星距地球约5 000光年，直径约为30×108km.属于很少见到的红特超巨星(Red hypergiant)一类.其庞大的体积可容纳下80多亿颗太阳大小的恒星(太阳的直径为1.39×106km).但此估计有争议，有人认为它只是一个红超巨星(Red supergiant),直径只有10×108km.

最大的星系：按照星系形成的标准模型，目前已测知的最大的星系是由众多较小星系碰撞而形成的巨椭圆形透镜状星系IC1101，它位于距地球10亿光年之远的Abell2029星系团之中心，其直径近乎6百万光年，体积千倍于我们银河系.

最大的洞：说的不是黑洞，而是由众多星系围绕而形成的巨洞，洞中未发现任何天体.一些已发现的空洞之直径约为1亿光年.2007年又发现一个古怪的大空洞，其直径竟达到10亿光年.有人认为这是我们的宇宙在久远年代之前与另一宇宙碰撞后的遗迹.

目前，最大的人造“天体”大概是跨度109 m,重370 t的国际空间站了.

2 宇宙中最快的

速度是相对的，在宇宙内，对于“静止的”是没有绝对标准的.我们的太阳系以600 km/s的速度相对于弥漫在宇宙内的微波背景辐射前行，但人们并未感觉到微波吹拂着我们的头发.这是因为此波动是非物质的.遥远的星系也以与太阳系差不多的速度在运动.

在我们太阳系内，被昵称为上帝之信使的水星是诸行星中运动得最快的，其轨道速度达到48 km/s.地球绕日的速度仅为30 km/s.1976年，人造天体Helios2太阳探测器以70 km/s的速度经过太阳上空.而从太阳系外围猛扑向太阳的慧星，在掠过太阳表面时其速度也高达600 km/s,但尚未达到能逃逸出太阳系的速度.

在银河的边缘天文学家们观测到一些速度高达850 km/s的“超速星”.理论工作者认为这些星曾与银河系中心的大黑洞密切相遇，是黑洞的巨大引力将它们向外弹射且又在飞越星系的其他区域时被加速.一些宇宙弹射还会产生磁暴，喷射出纤细的物质喷注，其速度可高达大于光速的99%.

自转的中子星作为脉冲星扮演着磁魔力的角色.脉冲星能高达每秒旋转1 000圈，这意味着其表面以光速的20%在移动.距其表面足够远处，它抛射的磁场之移动甚至比光速还快.这并不违背物理定律，因为磁场不携带信息的能量.

借助于黑洞的引力，连固体也能接近于光速.在黑洞的视界，一块石头会无声无息地不见了，但在不同轨道上运行的两块石头却会相撞.按照2010年日本东京大学的原田佳奈和高崎雄二两人对此问题联机运算的结果：黑洞的旋转在其周围搅打起一旋涡并增加了两石块的碰撞速度.其结果会在宇宙内的某处，发现一快速旋转的黑洞紧抓住的两块石头以接近于光的传播速度相互冲近.

3 宇宙中最热的

表面温度为5 800 K的太阳与宇宙中众多热源相比仍是个小角色.蓝超巨星，其巨大质量挤压着其核心提供内部核火，温度可高达5万 K以上.白矮星是类似太阳的恒星，在其生命终结阶段发生坍缩形成的残骸是一个高温致密球体.被命名为HD62166的这种星球被测知达到20万 K的温度，其发光的大气照亮了巨大的星云.

最大的超巨星其核心温度可高达10亿 K以上.对于一稳定的恒星，理论上的温度上限约为60亿 K,此时，恒星内部的物质开始发射光子，如此高能量的光子当它们互相碰撞时能产生电子、正电子对.而这样的超高速反应将使星体在巨大的爆炸声中毁灭.符合上述猜想的这种“对-不稳定超新星(Pair-instability supernova)”在2007年被观测到，这是一次极明亮的持续时间例外地长的恒星爆发，这一现象暗示：宇宙中可能存在着比以前人们想象中大得多的恒星.

超新星的温度有时会短暂地大于60亿 K.1987年，在距离我们16万光年的大麦哲伦云中爆发了一颗恒星，从探测来自该恒星核心的中微子的能量，揭示出此星内部的温度约为2 000亿 K.但若将其与γ射线爆发相比则是小巫见大巫了.利用特殊调谐的望远镜每天可探测到1或2次γ爆.γ爆被认为是黑洞诞生的标志，这种现象发生在一巨星的核心坍缩或两个超密中子星碰撞之时，但不知何故这时引力能被转变为γ射束和其他辐射.虽然，反应过程的详情目前还不清楚，但必定包含一相对论性火球被加热到10万亿 K.

位于瑞士日内瓦郊外的欧洲核子研究中心，于地下100 m的强子对撞机(LHC)的探测室内，在2010年11月8日和12月6日，铅原子对撞时，记录到一亚原子火球的数百亿K的高温.人们建造LHC的目的在于模拟宇宙创生时之情景，那时温度和密度都应趋于奇点，温度可能达到1032K区段.

4 宇宙中最冷的

太阳系内最冷的场所离我们不太远.2009年，美国宇航局发射的月球勘测轨道飞行器发现月亮南极附近阳光长年照不到的阴影下的环形山只有33 K(-240℃)，甚至比在遥远的、黑暗中的冥王星处已测知的任何温度都低.

太阳系之外，肯定存在着一些更冷的岩石.所有这些最冷的孤立的游荡者很可能在星系之间的巨洞内被发现，它们只受到宇宙创生大爆炸的虚弱微波之余辉及遥远星光之微光的照射，其温度不会高于3 K.

由于2.7 K微波背景辐射沐浴着整个宇宙，也许宇宙中没有任何实体的温度会低于2.7 K了.否！一个距离我们5 000光年之远被命名为Boomerang的气云，其温度只有1 K.此气云因其膨胀得很快，故能有效地冷却其气体，这类似于家用电冰箱或空调器中冷却剂膨胀致冷的方式.

Boomerang气云能否保留其作为宇宙中最冷的已知自然物体之地位尚待观察.2003年，在美国麻省理工学院实验室中，钠原子云被冷却到0.45×10-9K，高于绝对零度不到0.5×10-9K.

5 宇宙中最黑暗的

星系被认为是闪耀的宝石，点缀着数十亿颗亮星和发光的星云.但距我们75 000光年的近邻星系Segue1却是一匹黑马，直到2006年才被发现.这是因为它总的光发射只有太阳的300倍.Segue1中少量的星周游得非常之快，故其引力必定相当强，推测它至少具有百万倍太阳质量的物质，其中极少部分组成了发光的恒星和气体，而极大部分应是奇特的暗物质.对Segue1这种矮星系的深究能获得关于暗物质更多的知识.例如，如果这类星系之核心的稠密程度低于冷暗物质标准模型所预期，则将意味着构筑星系的材料是温暖的，或有自毁倾向，或者是由绒毛般的非常轻的粒子构成的.

甚至会发现一“暗星”：一个因其内部暗物质的衰变被逐渐温暖起来的冷气体大球.这样的天体有人认为在极早期宇宙中已经存在，但一直未被发现.

目前，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机正用于搜索可能存在的暗物质粒子.因此，有可能地球上最热的事物在不久的将来会照亮了空间最暗的东西.

6 宇宙中最明亮的

对于宇宙中发光天体的亮度，原文作者用太阳输出之晃眼的光芒4×1026W作为单位来衡量.

距地球1 300光年的猎户星座ε星其亮度为太阳的40万倍，此蓝超巨星位于“猎人腰带”的中央.我们银河系中比1 300光年远得多的亮星，有的因被尘埃遮蔽，但仍很亮，例如不稳定的船底座η星，其输出的光亮是太阳的5百万倍.

2010年7月，天文学家们在银河系的近邻大麦哲伦云中发现了创纪录的R136al星，其亮度为太阳的9百万倍，质量估计为太阳的250倍.无论如何，从银河系及其相邻星系之气体中可利用的化学混合物都不可能制造成如此之重的恒星.或者此星是由从早期宇宙至今不知何故一直未遭受污染的纯氢和纯氦构成的，要不就是现行的恒星结构理论有某些错误之处？

大质量恒星爆发后形成的超新星，其闪亮可维持数周.距我们47亿光年的一星系中出现的超新星SN2005ap,其最亮时达到太阳的1千亿倍.γ射线爆发的闪光，虽仅数秒，但爆发出的能量要比超新星多得多，其光度比1018个太阳叠加在一起还要多.

若视超新星和γ射线爆发为瞬间即逝的爆发源，则宇宙中最亮的稳定的强光源非类星体(Quasar)莫属：当该天体外围丰富的星星和气体不断地旋入中心的大质量黑洞时将使其成为3万亿倍太阳的白热星球.

7 宇宙中最圆的

欧洲中世纪的一些天文学家认为：宇宙是一“套装的，有层次的”完美水晶球，各层次从里向外分别携带着太阳、月亮、各行星(包括地球)和恒星.现在，我们知道空间存在着各种形态的物体，但它是否拥有一些能反映完整球形影像的客体呢？

行星被自身的引力拉拽形成相当好的椭球状.例如，地球上最突出的隆起和最深凹的沟壑，从喜马拉雅山巅到马里亚纳海槽，一出一入，两者凸凹的间距不到地球半径的千分之二.如果地球不是由于不停地自转导致轻微压扁的形状(在两极拽进，在赤道两侧凸起)，我们的家园将是一个完好的宇宙台球.

与中子星相比，地球确实是一个嶙峋的天体.中子星核心的巨大密度(1018kg/m3)导致其表面的引力比之地球约强千亿倍，因而足以平滑掉其表面一切极轻微的凹凸之处.中子星的“珠穆朗玛峰”可能不到5 mm高，中子星的典型直径为10至15 km,故其“喜马拉雅山”的高度不到其半径的百万分之一.

为了检验广义相对论，2004年4月20日发射升空的GP-B实验卫星中安装的4个乒乓球大小的直径为3.8 cm的陀螺，其球形在各个方向上的尺寸误差不超过40个原子一字排开的尺度，其距滚圆的不规则性不大于千万分之四.

相对论还提供比上述小球更为圆滑的景象：这就是黑洞的视界.该视界包围着一个区域，光线不能从区域内逸出视界到达远方观测者的眼睛.但视界不是一个确切的表面，你没法将手穿过去并惊异其新修整的光滑度.可能不久天文学家们有办法辨明某些黑洞的视界之像，并让我们见到这些虚假表面的清晰之画面.它们或许是自然界中最接近于完整滚圆球形的表面.

观测客体向视界降进可能是对爱因斯坦相对论最严格的检验.如果见到气体的碎片在轨道上稍稍偏离相对论的预期，则需要一个新的引力理论.当然，若黑洞原来就是没有理论所预期的视界之天体，那将是一桩令人震惊的事件.

8 宇宙中最稠密的

在地球表面适中的温度和压力下，已知最稠密的金属元素是锇(Osmium),1 cm3的容积内可紧压22 g的锇，或曰：满满一茶匙的锇原子之重量稍大于100 g.虽然，众多锇原子之密实的原子核被充斥着蓬松的电子云分隔着，但这些稀疏的电子云却是很强劲的，即使受到如地球深部那样巨大的压力也只能将其压缩到中等程度.

中子星是巨星爆发后的残存核心.该星由中子(Neutron)组成，也可能存在一些质子和电子.诸粒子被压缩得紧靠在一起.中子星核心的1 m3“Neutronium”物质，其质量可高达1018kg或1015t.中子星也可能有更为稠密的假想物质夸克存在于其核心，夸克是组成质子和中子的成分粒子.有人以最近发现的两例过重的中子星反驳这一说法：核心的夸克物质被过度挤压可能已湮没了.当中子星的外壳破裂时发生之能量的跳颤式爆发，是为星震.

Neutronium,或夸克可能是宇宙中物质的最稠密形式，但它们可能不是宇宙中最稠密物体的组成成分.进一步压缩中子星，它将成为一黑洞.不是所有的黑洞都特别地稠密：事实上，大的黑洞，就其视界内所包含的物质而言，是很稀疏的.巨椭圆星系M87中心的超大质量黑洞之质量是太阳的64亿倍，但其密度只有0.37 kg/m3,比地球上的空气还要轻.另方面，已知最小的被命名为XTEJ1650-500昵称小青鳉的小黑洞，其质量为太阳的3.8倍，但其密度却超过1018kg/m3,稍高于Neutronium.

按照量子理论，宇宙中物质最大的密度是1普朗克质量(10-5g)占据跨度1普朗克长度(10-33cm)的立方体时的物质密度(1094g/cm3).这实际上就是宇宙创生时所处状态下的物质密度.