我们怎样读懂宇宙

亲手试一试这些测量

1. 宇宙微波背景频谱温度计

   一小部分前景辐射，怎样让精密的宇宙温度计读得偏高？

2. 宇宙微波背景天空与角功率谱

   望远镜波束变宽时，天空的小斑块为什么先被抹平？

3. 超新星距离与宇宙膨胀

   遥远的超新星怎样揭示宇宙膨胀的历史？

4. 恒星内部的静水平衡

   恒星怎样抵住自身的引力？

5. 脉冲星计时与轨道衰减

   脉冲到达时刻怎样透露轨道在缓慢缩小？

恒星与看天空的新窗口

大气层外有什么信号，恒星又靠什么支撑？

1. 白矮星为什么有质量上限

   钱德拉塞卡怎样说明，有些恒星遗骸无法一直保持白矮星的样子？

2. 一枚火箭发现了异常明亮的 X 射线天空

   飞到大气上方的短短几分钟，怎样揭示了一类新的天体？

3. Hess 在云层上方找到了更强的辐射

   一次气球飞行怎样证明，有些辐射从太空来到地球？

从射电信号中辨认天体

分开的天线怎样拼成图像，规律的脉冲又来自哪里？

1. Jocelyn Bell 没有丢掉的规则脉冲

   记录纸上的一小片杂痕，怎样变成一种新恒星？

2. Ryle 怎样用小天线合成大望远镜

   几台天线分时观测，为什么能看出射电星系的形状？

测量宇宙膨胀的历史

微波背景和遥远超新星，分别保留了宇宙历史的哪些片段？

1. COBE 把天空与人造黑体放在一起比较

   卫星上的冷参考源，怎样检验宇宙微波背景的热起源？

2. COBE 天空图里微小的温度差

   几乎处处一样的微波天空，怎样显露宇宙结构的早期线索？

3. 从平滑的微波天空到结成团的星系

   物理宇宙学怎样把早期微波背景，与后来的星系分布联系起来？

4. 检查完天线，天空仍有一层微波底噪

   接收机里解释不了的几度温度，为什么成了早期热宇宙的证据？

5. 遥远超新星揭示了加速膨胀的宇宙

   遥远超新星比预期暗一些，为什么改变了人们推断的宇宙膨胀史？

行星怎样摇动恒星

恒星轻轻晃动，怎样暴露一颗看不见的行星？

1. 飞马座五十一号行星只有四天的一年

   恒星的小幅摇摆，怎样暴露了一颗贴着它转的巨行星？

引力留下的痕迹

沿着缩短的轨道、经过的引力波和看不见的中心，分辨不同的引力证据。

1. 替银河系暗中心称重的恒星

   看得见的恒星，怎样替看不见的银河中心天体称重？

2. 脉冲星的钟声记下了轨道缩短

   地面探测器收到引力波之前，射电脉冲怎样透露了引力辐射？

3. 同时抵达两座 LIGO 的短促啁啾

   短短一瞬的光信号，怎样揭示了两颗黑洞的并合？

4. 引力坍缩不需要一颗完美的球形恒星

   Penrose 怎样证明，偏离完美对称也无法轻易阻止引力坍缩？

5. 从探测曲线读到黑洞质量

   GW150914 论文的哪些图表，分别支持信号、显著性和源参数的判断？

按获奖贡献查找

下面的人名对应获奖贡献。文章还会讲到更完整的团队，以及让发现成为可能的人。

1. 1936 · Victor F. Hess

   Hess 在云层上方找到了更强的辐射

   官方授奖说明

2. 1974 · Martin Ryle · Antony Hewish

   Ryle 怎样用小天线合成大望远镜

   官方授奖说明

3. 1978 · Arno Penzias · Robert Wilson

   检查完天线，天空仍有一层微波底噪

   官方授奖说明

4. 1983 · Subrahmanyan Chandrasekhar

   白矮星为什么有质量上限

   官方授奖说明

5. 1993 · Russell Hulse · Joseph Taylor

   脉冲星的钟声记下了轨道缩短

   官方授奖说明

6. 2002 · Riccardo Giacconi

   一枚火箭发现了异常明亮的 X 射线天空

   官方授奖说明

7. 2006 · John Mather · George Smoot

   COBE 把天空与人造黑体放在一起比较

   官方授奖说明

8. 2011 · Saul Perlmutter · Brian Schmidt · Adam Riess

   遥远超新星揭示了加速膨胀的宇宙

   官方授奖说明

9. 2017 · Rainer Weiss · Barry Barish · Kip Thorne

   同时抵达两座 LIGO 的短促啁啾

   官方授奖说明

10. 2019 · James Peebles

    从平滑的微波天空到结成团的星系

    官方授奖说明

11. 2019 · Michel Mayor · Didier Queloz

    飞马座五十一号行星只有四天的一年

    官方授奖说明

12. 2020 · Roger Penrose

    引力坍缩不需要一颗完美的球形恒星

    官方授奖说明

13. 2020 · Reinhard Genzel · Andrea Ghez

    替银河系暗中心称重的恒星

    官方授奖说明

发现与获奖发生在不同的年份

这些年份标出一个个节点。射电成像、恒星理论和物理宇宙学都经过了许多人的长期工作。

1. 1912 · Hess 在高空测到更强的电离
2. 1931 · Chandrasekhar 计算白矮星质量上限
3. 1960 · Ryle 与 Hewish 发表孔径合成方法
4. 1962 · 火箭探测到太阳系外的 X 射线源
5. 1965 · 微波背景发现论文发表
6. 1965 · Penrose 证明不依赖球对称的奇点定理
7. 1967 · Bell 找到周期重复的射电信号
8. 1974 · Hulse 与 Taylor 发现双星脉冲星
9. 1982 · Peebles 计算冷暗物质模型中的起伏
10. 1990 · FIRAS 报告首批宇宙黑体谱结果
11. 1992 · DMR 报告大尺度微波各向异性
12. 1995 · Mayor 与 Queloz 报告飞马座 51 b
13. 1998 · 遥远超新星指向宇宙加速膨胀
14. 2002 · 接近完整的 S2 轨道给出银河中心质量
15. 2015 · LIGO 观测到 GW150914

随用随查的术语

红移

宇宙膨胀拉长光波，抵达时波长更长。

光度距离

把天体发出的总光功率与观测亮度联系起来的距离。

黑体谱

热辐射在不同频率上的亮度分布，形状由温度决定。

各向异性

朝不同方向看，同一个物理量的大小不同。

角功率谱

把天空温度起伏按角尺度分开，比较每个尺度有多强。

可见度

一对天线测出天空空间分布中的一个分量。

脉冲星

快速旋转的中子星，辐射束一次次扫过地球。

计时残差

观测脉冲到达时刻减去模型预期的到达时刻。

静水平衡

向外的压力梯度抵住向内的引力。

啁啾

两个天体互相靠近时，波的频率越升越高。

俘获面

一个闭合曲面，两族朝未来传播的垂直光线都在收拢。

伴星最小质量

径向速度把质量和轨道倾角联系起来；倾角未知时，通常只能给出最小质量。

再看看中微子带来的天空