了解宇宙是如何运行的第九季

9-1 24 Mar 21 Journey to a Black Hole (120 min)

好久没看了，重新看，还真有点犯困，主要是大部分内容都是重复的，主要还是画面比较震撼，但是画面其实很多也是重复的了。

这集主要是那个著名的甜甜圈黑洞照片，节目里的两个嘉宾清楚地记得看到照片的时候在做啥。m87 的 jets其实是分段的，就像是一节一节颜色不同的高速列车。科学家根据这些变化，就可以测算出喷射的速度，看起来是超过了光速，实际上是因为喷射是朝向地球的，是一种错觉，实际上就是接近光速的速度。m87里面有大量的红矮星，red and dead，上亿年都没有形成新的恒星。吸积盘accretion disk上是大量的尘土和气体，摩擦产生大量热量，发光发热，达到一定程度就会爆发能量光束。能量光束穿越星系，撕开大洞。恒星要想形成，必须得有冷却的尘土和气体，黑洞爆发加热，并不是只是两束光，虽然这两束光看起来面积已经很大，实际上是泡泡一样膨胀，周边的尘土气体都被加热，恒星失去了形成的条件。

为什么 m87 看起来这么大？其实就是形成的过程中一直在吃，吃的是别的恒星。关于黑洞吃饭，基本是吃饭打嗝休息，但是有的也比较规律，一天吃三顿，哈哈，那周围的恒星真是倒霉了。m87 属于一直在吃，但是爆发的比较少。两个星系的黑洞会不会合并？两个黑洞会围绕共同的重力中心旋转，非常接近以后就不再接近，到达一种 final parsec problem的阶段，这时候如果有第三个小一点黑洞在附近出现，跟两个大黑洞产生互动，带走一部分能量，两个大黑洞就会继续接近，融合，爆发，将第三个小黑洞甩走。

黑洞的转速有多快？一个黑物体边缘都是发光的吸积盘，观测转速实在是有点难。但是有的科学家比较幸运，他们观测到有个物体每隔 130秒闪烁一次，通知其他科学家都一起看看，闪了一年多。最终确定这是黑洞吸积盘的转速，一个恒星被捕获，这是每一次转动的时候，地球观测到的恒星被撕裂和吞噬。sofia 这个在飞机上的望远镜，之前看到过。关于物体接近黑洞的时候，会被面条化，是因为对于小型黑洞来说，物体的重力中心范围非常小，人的脚和人的头所受到的重力差距可能相差几百万倍，那是会被面条化的。但是对于 m87 这种super mass 的黑洞来说，这种只占 1%，重力重心范围超大，物体可以安全的接近，是真的可以看黑洞啊。但是实际上是不行的，以为实在是太亮了啊，比我们的太阳还要耀眼上亿倍，我们人类是根本扛不住的。关于 event horizon，到底能不能安全通过。广义相对论认为没有问题，物体根本意识不到自己已经不能回头。量子力学认为不可能，里面有个能量防火墙，一切都会灰飞烟灭，但是信息会继续保存在黑洞中。就像是一本被烧掉的书，只要追踪每一个原子的轨迹，就可以还原信息。黑洞的中间就是奇点了，有个嘉宾说，不要被名字吓住，叫这个名字就是因为我们不知道这是啥。一个质量无限大但是却几乎没有体积的地方。到达此处的物体也许会变成能量碎片，加入黑洞，也有可能会继续前进，穿越虫洞，到达黑洞的另外一个出口就是白洞，可能这就是另外一个平行宇宙。奇点收缩后也可能会大爆发，形成新的宇宙，也许我们的宇宙就是这么产生的。

9-2 31 Mar 21 Mission to a Comet

拍个探测器Rosetta到彗星67P去看一看，看看地球上的水是不是来自彗星，还有地球生命之迷。这些彗星通常都是在太阳系的边缘，那里温度低，上亿年都没有什么变化，但是可能突然间受到其他行星的影响，主要是 Jupiter，体积大，彗星被吸引到太阳系内部。为了跟彗星会和，Rosetta 用了十年的时间，路线非常曲折。而且中间还有 31 个月是休眠状态，因为无法充分利用太阳能，不如直接休眠节省能量。Rosetta 被成功唤醒，科学家第一次看到了 67P 的样子，像个小鸭子。分析成分表明，之所以是这个奇怪的形状，是因为两个彗星低速相撞后，没有粉碎对方，而是两个黏在了一起。彗星的主要成份就是尘土和冰，接近太阳的过程中，冰开始融化挥发，这就是我们看到的彗星的尾巴。探测器分析了彗星上重水的比例，是地球的三倍，不同源。但是彗星上发现了分子以及生物能够直接使用的 Phosphorus 磷，磷是恒星死亡的时候产生的物质，比较稀少。探测器释放了一个着陆器，设定好的计划都没用，着陆器着陆就摔倒了，摔倒后非常敬业地发了照片。探测器围着彗星找了三个月都没看到着陆器在哪里，如果不知道位置，那数据就没有意义。最后还是一位科学家发现了着陆器的位置。探测器的人物完成后，也撞击到了彗星上，给地球发回了更多的近景照片。这颗彗星每 6.5 年就会再来一次，还是挺频繁的。

9-3 07 Apr 21 Secrets of the Sun

有个嘉宾说太阳就是个简单的洋葱，结构确实比较简单，但是非常有效强大。美国派出了一系列的探测器，24 小时观测太阳，可以为人类活动提供预警。我一开始想，就八分钟能做啥，其实并不是，高能量的粒子到达地球可能需要几天，在外太空的卫星以及宇航员需要做好准备，因为他们没有大气层的保护。说到探测器，日全食的时候，可以看到太阳的表层，平常的时候看不到因为太阳实在是太亮，科学家说我们又没有耐心一年等两次，所以就用个圆盘挡在探测器摄像机前面，哈哈，超级简单啊。科学家说通常的想法可能是研究高端仪器忽略掉不需要的太阳光，但是实际上挡上就行了。太阳的表层是第四种物质 Plasma 等离子，就是液态的高能量。太阳的表层和下层的转速不相同，两极和赤道的转速也不同，这样太阳的磁场就长期处于扭曲中，磁场相遇断裂的时候就是Sun Flare太阳耀斑。1972 年的时候太阳耀斑爆发差点让美国军方认为是太空有人在进行核试验，幸亏误会很快解除。太阳大规模释放能量的周期是 11 年，1989 年的大爆发造成加拿大大范围停电。太阳风的动力也是来自太阳的强大磁场，距离太阳最近的水星竟然是有水的，也是太阳造成的，强大的能量粉碎了岩石，化学反应形成了水，这些水就沉积在深邃的不见太阳的峡谷中。到达地球的太阳风被地球磁场捕获，磁场引导高能粒子到两极，就是极光。看起来是很漂亮，实际上是地球磁场和太阳风战斗的前线。上世纪七十年代发射的 Voyager 系列已经飞出了太阳系，回望太阳系，能看到明显的太阳磁场，磁场的边缘就是太阳风和宇宙射线的战场。太阳在高速运行中，所以磁场一头比较短，另外一头比较长。哇，想想看好壮观啊，我们时时刻刻都漂浮在危险的宇宙中，短短的几千年，我们人类就从单纯的太阳崇拜，到探索宇宙的秘密，探索外星球。进步确实是挺快。

9-4 14 Apr 21 Aliens of the Microcosmos

这集分两次看的，中间隔了二十天，前面的基本已经忘干净了。人体的一半都不是我们自己，是细菌和病毒，有这么夸张？地球之前是没有如此高的氧气水平的，氧气量的升高引起了森林大火，灭绝了那些不能使用氧气的生物。微生物之间的合作，有了人类的今天，既是我们的可靠盟友也是我们的危险敌人。全球变暖，冻土融化，之前冷冻在冻土中的人类和动物尸体依然保存完整，其中包含的病毒经历了三万年的沉睡后，依然可以复苏，继续有效。2016 年冻土中含有的炭疽病毒杀死了一名儿童和 2000 多只驯鹿。人类在地球的活动给自己和其它生物带来了危险，外太空也不能避免。科幻作品中经常描述人类到达一个新世界，被新世界的病菌杀死，但是实际情况可能是我们才是那个杀手。人类从月球探索任务中获得的样品上发现了地球上的病毒，这些病毒在太空中经历了两年的辐射和气温变化，依然还活着。人类在自己星球上保护环境的记录不是特别好，在防止灭亡太空其它星球生物灭亡方面，得更加小心。

9-5 21 Apr 21 Curse of the White Dwarf

质量高于 1.4 个太阳死亡的时候变成黑洞，低于这个质量的先变成红巨星，体积可以达到原来的 100 倍，那恒星附近的行星还能继续存在吗？其实也是有可能的，取决于距离。等到红巨星脱掉外面的壳，就是一颗白矮星。白矮星相比太阳来说，比较稳定，可以提供恒定的热源，最终经历比宇宙还要长的时间，会变成黑矮星。存在于双星系统中的白矮星，另外一颗是还没有死亡的恒星，白矮星会吸收对方的能量，每隔一段时间会爆发一点，多次爆发叠加留下多次痕迹，remnants的范围更加广阔一些。两颗白矮星不断接近最后融合，结果是爆炸释放出大量射线，但是这个过程需要很长时间。危险的中子星和白矮星的结合，会产生更加危险的磁星，转速极快，强大的力量可以撕裂原子。白矮星一开始在科学家的眼中是比较奇怪，现在科学家发现它们虽然小，但是非常重要，参与很多重要事件。

9-6 28 Apr 21 War of the Galaxies 我们银河系的中心有些大质量恒星来了就走，走了又来，轨道像是一个香肠，这不是我们星系的，而是过去另外一个星系和银河系相撞后的结果，这些恒星的轨道被改变。银河系是扁平的，但是边缘像草帽一样有起伏，这是银河系和另外一个矮星系 Sagittarius 相撞后形成的，而且这个矮星系相撞的频率会越来越快。伴随着天文望远镜技术的进步，会纠正我们过去的看法。以前以为不会跟银河系相撞的大麦哲伦星系，现在发现，里面的暗物质是预想的两倍，这个星系25亿年以后会和我们相撞，不过这个比我们小，相撞之后主宰依然是银河系。有一种情况，如果相撞的时候，在强大引力的互相作用下，太阳系被甩出去，那地球上的我们就可以观看两个星系相撞的奇观了，天空会非常明亮，充满了星星。40 亿年以后我们会和 Andromeda 星系相撞，对方比我们大，这次可是一场硬仗。两个大质量星系相撞，两个黑洞都会吸收周围的气体和尘埃，会释放出 Jets，包含强大的能量，一秒钟释放出的能量可能就是我们太阳一生释放的能量。而且这个释放并不是一秒钟就结束了，可能会释放上万年，上千万年，在 Jets方向上的生命迎来了终结。科学家观测到有些星系非常巨大，考虑到宇宙的年龄，即使是合并也不能短时间内长到这么大。其实是可能的，第一，每次并不一定只有两个合并，可能是多个星系合并。第二，宇宙是在膨胀中，之前星系互相之间离得更近，合并发生的更加频繁。合并并不一定总是好事，科学家发现有个星系，恒星非常密集，中心的黑洞是理论的五倍大，旁边就是罪魁祸首。旁边的星系质量更大，把小小星系外围的天体都给俘虏带走了，只留下了一个大本营。星系之间的碰撞，促进了新恒星的形成，注入了活力。如果星系的位置比较特殊，正好在本地星团的重力中心，在重力加速下，自身旋转会越来越快，没有办法跟其他星系相撞。有个星系就是这种情况，已经有千万年没有形成新的恒星，星系里面一片红光，只能走向死亡。

9-7 05 May 21 The Next Supernova

超新星爆炸好看有用还很危险，能提前知道那是最好的。1987 年第一次用现代望远镜发现了超新星爆炸，而且还发现几个小时前，观测到了大量的中子nutrino, 爆炸中只有1%的能量体现在了爆炸造成的冲击波上，剩余的大部分都在中子中，所以世界各地建造了多处可以观测中子的检测站。Betelgeuse 参宿四，这颗恒星有太阳的 20 倍大，科学家发现它在变暗，距离太阳系 550 光年，真的爆炸的话，对我们的影响不会太致命，但是在地球上的观测得天独厚，一次难得的近距离观测的机会。但是对参宿四拍照后对比发现，温度没有下降很多，只是部分变暗了，是恒星释放的一些物质遮住了恒星。不过这颗还是会爆炸的，预计是 10 万年以内，也可能是明天。恒星能够保持现状，是两种力量均衡的结果，恒星内部核聚变产生的向外的能量，恒星本身向内的重力，两种力量一直在拉扯中。质量越大，核心越重，温度越高，反应越剧烈，寿命越短。等到恒星内部开始生成铁的时候，恒星的生命就走到了尽头，因为合成这个元素不会产生能量，只会消耗能量，恒星会快速坍塌，然后反弹，这就是超新星。对地球海洋底部观察，260 万年前地球上曾经有iron-60 沉积，这只能是地球附近有超新星爆炸，当时有三分之一的生物被灭亡。人类的诞生，其实恐怕真的是一种偶然，智慧生命的出现有太多的不可控因素。刚才那个太远，还有离着我们比较近的，150 光年的 regasi，这是个双星系统，白矮星和恒星，目前这俩还没有互动。但是伴随着恒星走到尽头，变成红巨星，白矮星就要开始复活了，吸收红巨星的气体，自己加速和发热，释放出能量，只是希望地球不要在这个能量的路上。科学家之前认为 8 倍以上太阳质量的恒星就会爆炸，但是实际情况并不如此。有个 20 倍太阳质量的恒星，突然有一天就消失了，研究发现，这个恒星越过了超新星爆炸的阶段，直接形成了黑洞，跟恒星表面的 对流convection 有关，较轻的 hydrogen都被喷发走了，留下的都是比较重的物质。大概有 30% 的大质量恒星不会爆炸。科学的进步一直在推翻以前的结论，我们对于宇宙的了解还是太少，也许一生都无法穷尽。里面有个嘉宾说，还有很多工作没有做，多多给我们预算吧。哈哈。

9-8 12 May 21 Secret Lives of Neutrinos

上世纪有一次科学家观测到太阳变暗，以为是太阳要爆炸了。虽然我们有观测太阳的探测器，但是只能观测表面，但是表面的粒子并不是最新的粒子。太阳核心的粒子产生后，由于内部密度太大，从中心到表面平均要经过 30 万年，各种菜都凉了。但是 Nutrino 不受这个影响，接近光速，产生就可以逃出来。科学家测算中微子，但是结果又让他们吓一跳，中微子只有预测值的三分之一，难道太阳真的要死了？进一步观测发现，原来中微子在告诉运行过程中会变形，有三种 Flavor，分别是 Electron，Muon 以及 Tau，科学家只是针对一种进行观测，所以是三分之一，调整参数以后，太阳是正常的，危机解除。中微子质量非常小，接近光速，可以穿越一切物体，每 100 亿个中只有一个会被地球观测到，用的方法是观测中微子和水分子反应后，生成的 Argon 的数量。世界上最干净的水在南极洲，在那里设置了一个有九个足球场那么大的观测站。科学家观测到了一个中微子跟水分子碰撞后依然有接近光速的速度，根据中微子的飞行轨迹，找到了 60 亿光年外的一个强大黑洞 Blazar，这个黑洞产生的能量束正好是地球的方向。大质量恒星死亡的时候，核心快速坍塌，形成了中子星，产生了大量的中子和中微子，这些中微子带有99% 的能量，以接近光速向外飞出，飞出的过程中点燃了恒星周围的气体和尘埃，温度达到一定程度就引起了爆炸。没有中微子就有没超新星，也就没有人类，我们身体中的铁和钙都来自于超新星。宇宙诞生后一切都是对称的，有物质就有反物质，两种物质的数量早期是一致的，在相遇湮灭的过程中，由于中微子改变状态，让物质相对于反物质有了一点点的优势，累积下来就是目前所有的物质，只占到宇宙质量的 5%，剩余的都是暗物质。那么暗物质究竟是什么？中微子看起来是个可能。中微子不可见，数量巨大，存在的时间久，但是测算发现不是，所有中微子的数量加起来不过是暗物质质量的 0.5 到 1.5 之间，暗物质依然非常神秘。费米实验室认为中微子还有第四种状态，Sterile，叫这个名字，是因为这种中微子跟所有物质的互动更加少。费米实验室的实验还没有被其他实验室重复，但是已经给其他实验室提供了研究方向。

9-9 19 May 21 Birth of the Monster Black Holes

宇宙早期的大黑洞，能达到太阳质量的上亿倍，这种怪物是如何形成的？黑洞大概可以分成三个等级，小的 stellar 黑洞，中间类型，以及1000倍太阳以上的超大黑洞，宇宙中比较常见的是第一种和第三种，就像人类中只有儿童和成年人没有青少年，确实有点奇怪。可能是超大恒星死亡后形成的黑洞，不太可能，没有那么大的恒星，而且超新星爆炸后大部分物质都会被喷发出去，只有少量物质会形成黑洞。可能是特定条件下，气体直接坍缩形成了黑洞，这种情况要求两个临近的星系，一个还没有形成恒星，另外一个已经形成恒星，年长的释放辐射干扰年轻星系中恒星的形成，当气体累积到一定程度的时候，会直接快速坍塌形成黑洞。即使是这种没有损失质量的也无法直接形成超级黑洞。引力波的发现，让科学家确信，两个星系是可以融合的，两个星系的黑洞也是可以融合的。即使是这样，黑洞要长到超级黑洞也很费事，而且黑洞的融合并不是那么容易的。两个黑洞围绕共同的重力中心旋转，它们必须降低速度才可以继续靠近，方法就是把星系中的其他形体一批一批扔出去，直到速度降下来两个黑洞靠近。这个过程可能要持续几十亿年，而且即使是所有其他形体都被扔出来了，二者之前的距离可能还有三光年，这叫 parsec 问题。解决的方法就是再来一个小黑洞，在互动过程中，小黑洞被两个大黑洞抛出去，失去的能量让两个大黑洞的速度进一步降低，完成融合。还有一种方式就是黑洞靠吸收气体长大，其实这种也不太可能长太快，因为吃的太快要打嗝，会减缓长大的速度。最后一种磁场力量的比较可行。宇宙诞生后，充满了带电的粒子，有电就有磁场，而且是强大的磁场。这些磁场构成了宇宙的骨架，引导物质向磁场更强的节点沉积，所以在这些节点上就堆积了大量的物质，形成了超大黑洞。

9-10 26 May 21 Gravitational Waves Revealed

引力波，看各位嘉宾的激动和重视程度，这是个非常强大的新工具，相当于给人类多了一种 vison，有个嘉宾说想想看你生在多么幸运的一个时代。不得不说，你们天文工作者，真是太容易满足了。ligo探测到的是170 亿光年以外，两颗黑洞的融合，融合后形成了一个 140 倍太阳质量的黑洞。宇宙中能量巨大的 gamma 射线，通常只会出现几秒钟就消失了，因为发光，所以不是黑洞融合造成的。通过引力波去研究，确实是两个在合并，是两个质量巨大磁场强大的中子星，合并的过程中磁场扭曲，卷入其中的粒子的速度接近光速就爆发射线。大质量的物体运动和合并都会产生引力波，数量非常多，但是到达地球的时候会非常微弱，探测困难，有个办法就是检测脉冲星的活动。脉冲星的闪烁非常稳定，如果出现了波动就是受到了引力波的影响。科学家发现了一个区域内几十个脉冲星都有波动，他们是受到了几百个引力波的影响，这些黑洞融合处于不同的阶段，两个黑洞融合可能需要上亿年的时间。大爆炸之后宇宙快速增大，速度超过了光速，这是空间的速度，称为暴胀 inflation，这个理论尚未被证实。南极的观测站认为他们观测到了暴胀的证据，天文学家非常振奋，几个月后发现了问题，那些看起来的分布证据是宇宙中的星云的扭曲效果。暗物质究竟是什么，是一种物质还是多种物质？有一种猜测是他们是非常小的黑洞，这个也需要引力波去研究证明。还真是个非常万能的工具。

9-11 02 Jun 21 Mystery of Alien Worlds

目前已经发现了4000多颗地外行星，有没有适合居住的？嘉宾说就跟那约会软件一样，这个太热，那个太冷，这个太远，那个太近，这个水太少，那个水太多。我们是按照我们地球和太阳系的模式去找地外行星，结果发现宇宙还真是很有多样性，各种个样的。太阳系中只有地球是有一个卫星的，其他的星球都有多个。有个木星那么大的气态行星离着自己的恒星特别近，而且还潮汐锁定了，正面是4000度，足以融化钢铁，背面是2700度，由于巨大的温差，背面的天空下的是iron rain。一位嘉宾说我小时候看到科幻小说说天空下铁雨，我想肯定不可能，现在看来，对于宇宙来说，一切皆有可能。地球上最高风速是每小时250英里，在这个星球上是每小时11000英里，疯狂的世界啊。我们地球如此正常，才是不正常的。有的恒星周围有三个super-puff的行星，密度非常低，扔到大海里能飘起来的那种，固态核心很小，外面都是气体。推测之前这三个应该是在远离恒星的地方形成的，形成以后受到强大引力的影响，向恒星靠近，靠近的过程中，外层的气体会被大量快速蒸发。想想看，我们看到的是行星漫长生命中的一个片段，星系并不是一直稳定不变的。太阳系刚刚形成的时候，是有上百个行星的，相互碰撞融合，才形成了现在八个的局面。地球叫这个名字还是名副其实的，因为确实是岩石星球，水只占地球质量的0.05，科学家发现了一个水占70的星球，这个就有点太多了。太阳死亡的时候会变成红巨星，会吞没周围的行星包括地球，那有没有办法摆脱？科学家观测到有个幸存的行星，进一步研究发现，这颗行星可能本来就不在爆发范围，红巨星变大以后，吸引了这颗行星靠近，躲开了危险，从此以后就只能靠白矮星取暖了，感觉前景不是很乐观。