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宇宙之外存在其他时空吗?北京天文馆上演《宇宙大爆炸》

新京报 2021-02-04 19:24:35
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(记者张璐)“宇宙大爆炸”如何成为宇宙的源头?宇宙之外是否又会存在其他时空?今天(2月4日)起,以宇宙的诞生和演化为主题的球幕节目《宇宙大爆炸》在北京天文馆A馆天象厅登场,将解答关于宇宙诞生的疑问。

宇宙之外存在其他时空吗?北京天文馆上演《宇宙大爆炸》

2月4日起,以宇宙的诞生和演化为主题的球幕节目《宇宙大爆炸》在北京天文馆A馆天象厅登场。北京天文馆供图

抽象的“宇宙大爆炸”可视化

宇宙迄今已有大约138亿岁。天文学家知道这个年龄并不是因为他们从宇宙诞生起就按下秒表开始计时,而是基于他们对宇宙演化过程的了解。天文学家观测宇宙的过去和现状,从而反推出达成这个状态需要多长时间。

自从埃德温·哈勃发现宇宙正在膨胀,随后的数十年间,种种观测事实都为宇宙大爆炸假说提供了支持。目前宇宙大爆炸假说能够解释许多宇宙现象,被世界广泛接受,但这一假说的逻辑推演对普通人而言显得过于高深抽象,需要使用更加直观的方式呈现,让公众更好地理解。

据北京天文馆数字工作室主任宋宇莹介绍,《宇宙大爆炸》节目在科学可视化上做出了全新的尝试,基于超级计算机模拟的宇宙演化“快照”,用动画还原了宇宙中的暗物质和气体漫长的演化聚集过程,展现了星系的碰撞、合并和生长。

22分钟穿梭宇宙百亿年演化

记者看到,在包裹整个视野的巨大球幕上,宇宙的浩渺和天体的炽烈都得到极致的呈现。22分钟的沉浸式体验,带领观众经历了宇宙100多亿年的演化历程。

在遥远的过去,整个宇宙曾经极其小、热、致密。从1厘米大的小火球开始,这个既不大也不是爆炸的膨胀过程就是著名的“宇宙大爆炸”。

整个宇宙演化过程中的“戏份”分配极度不均衡,在诞生后的短短时间,时空本身以及时空中的能量和物质发生了极其剧烈的变化,而在光子得到解放之后的大约数百万年时间,整个宇宙又是近乎沉寂的。

随后,恒星和星系出现在宇宙中,渐次点亮原本的一片黑暗。据《宇宙大爆炸》撰稿人、天文馆研究员刘茜介绍,宇宙中的质量绝大部分被暗物质占据,它们主导着一切物质的聚拢,奠定了宇宙后来的大尺度结构。普通物质的内部,引力让密度更大的部分变得越发致密。在密度最高的地方,引力导致的收缩让团块中心的温度越来越高,终于,宇宙中的第一代恒星诞生了。

“第一代恒星都是明亮而巨大的蓝色恒星,它们向周围吹出强烈的星风,连同强大的辐射一起推开了周围的幽暗。”刘茜说,恒星诞生然后死去,星系碰撞然后并合,这样的事件在宇宙中一再重复,其中蕴含着对生命而言至关重要的变化。

当前半径460亿光年的可观测宇宙还在膨胀。“宇宙学家还推测出许多其他类型的平行宇宙和多重宇宙,但它们都只存在于数学理论中,还很难找到验证的可能。”

宇宙之外存在其他时空吗?北京天文馆上演《宇宙大爆炸》

北京天文馆天象厅播放《宇宙大爆炸》科普节目。北京天文馆供图

幕后故事:为观测站的5个镜头实拍近一个月

记者了解到,节目中的画面大部分基于科学数值模拟,效果逼真,能让观众直观地感受物质在引力操纵下的运动和行为过程。节目制作中还采用实地拍摄的方式,把科学家了解宇宙的有力工具——郭守敬望远镜、中国天眼FAST等我国主要大型望远镜的实景呈现在球幕上,让观众领略“国之重器”的风光。

把这一切呈现在球幕上并非易事,宋宇莹分享了节目拍摄和制作的幕后故事。

“大家看到的国家天文台观测站前后只有五个镜头,一分钟左右。但我们准备了一年多的时间,实际拍摄也用了将近一个月。”他说,由于天文馆球幕分辨率很高,工作人员第一次尝试用超高分辨率进行全景航拍,需要解决很多软件和硬件上的技术问题。“全景航拍不能进行打光,也不能进行安装滤镜等常规操作。所以想拍到理想的光线和位置,需要靠运气。”

宋宇莹说,由于中国天眼FAST所在地是喀斯特地貌,阴天和雾天是常态,找到晴朗的天气并非易事,另外FAST也有自己的观测任务,所以天文馆工作人员每天只有一小时用于拍摄。“不过这段经历很有趣,我们开着车在FAST‘大锅’下面拍摄,听到望远镜运行的滴滴答答的声音非常迷人,后期可能将这段声音剪辑到节目中去。”

把天体晦涩难懂的坐标、温度、速度等数字,“翻译”成精确的、符合事实和物理规律的画面,天文馆工作人员也下了一番工夫。为了呈现逼真的宇宙演化过程,科学数据必不可少。国家天文台计算宇宙学研究团组的王杰研究员为项目提供了几个T的整体海量数据。“数据庞大到什么程度呢?就是我们调整一个参数看效果,最快也要等2个小时才能出来一个画面。”为此,可视化专家通过创新数据存储方式、优化可视化算法等,将时间压缩到几分钟。“最终呈现出来,每一个星点的运动轨迹都符合物理定律。”

宋宇莹希望,科普片可以激起公众对宇宙演化的兴趣,产生疑问,后期寻找答案,拓展自己的视野。

■观影提示

自首映之日起,北京天文馆开放期间,天象厅将在13:35放映《宇宙大爆炸》节目,时长为22分钟,每日放映一场。因疫情原因,天文馆剧场上座率限制在75%以下(不对号入座);观众可购买北京天文馆7日内(含当日)剧场票。

新京报记者张璐

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