2014-07-07 04:58:37蘇彩惠

我們所在的─銀河系─神秘面紗(5)



                       我們所在的─銀河系─神秘面紗(5)

 

大爆炸時空的一個重要特點就是視界的存在:由於宇宙具有有限的年齡,並且光具有有限的速度,從而可能存在某些過去的事件無法通過光向我們傳遞資訊。從這一分析可知,存在這樣一個極限或稱為過去視界,只有在這個極限距離以內的事件才有可能被觀測到。另一方面,由於空間在不斷膨脹,並且越遙遠的物體退行速度越大,從而導致從我們這裏發出的光有可能永遠也無法到達那裏。從這一分析可知,存在這樣一個極限或稱為未來視界,只有在這個極限距離以內的事件才有可能被我們所影響。

 

以上兩種視界的存在與否取決於描述我們宇宙的FLRW模型的具體形式:我們現有對極早期宇宙的認知意味著宇宙應當存在一個過去視界,不過在實驗中我們的觀測仍然被早期宇宙對電磁波的不透明性所限制,這導致我們在過去視界因空間膨脹而退行的情形下依然無法通過電磁波觀測到更久遠的事件。另一方面,假如宇宙的膨脹一直加速下去,宇宙也會存在一個未來視界。

 

1978年諾貝爾物理獎)早在四十年代末,大爆炸宇宙論的鼻祖伽莫夫認為,我們的宇宙正沐浴在早期高溫宇宙的殘餘輻射中,其溫度約為6K。正如一個火爐雖然不再有火了,還可以冒一點熱氣。

 

1964年,美國貝爾電話公司年輕的工程師-彭齊亞斯和威爾遜,在調試他們那巨大的喇叭形天線時,出乎意料地接收到一種無線電干擾雜訊,各個方向上信號的強度都一樣,而且歷時數月而無變化。

 

難道是儀器本生有毛病嗎?或者是棲息在天線上的鴿子引起的?他們把天線拆開重新組裝,依然接收到那種無法解釋的雜訊。這種雜訊的波長在微波波段,對應於有效溫度為3.5K的黑體輻射出的電磁波(它的譜與達到某種熱平衡態的熔爐內的發光情況精確相符,這種輻射就是物理學家說熟知的"黑體輻射")。他們分析後認為,這種雜訊肯定不是來自人造衛星,也不可能來自太陽、銀河系或某個銀河外星系射電源,因為在轉動天線時,雜訊強度始終不變。

 

後來,經過進一步測量和計算。得出輻射溫度是2.7K,一般稱之為3K宇宙微波背景輻射。這一發現,使許多從事大爆炸宇宙論研究的科學家們獲得了極大的鼓舞。因為彭齊亞斯和威爾遜等人的觀測竟與理論預言的溫度如此接近,正是對宇宙大爆炸論的一個非常有力的支持!這是繼1929年哈勃發現星系譜線紅移後的又一個重大的天文發現。

 

宇宙微波背景輻射的發現,為觀測宇宙開闢了一個新領域,也為各種宇宙模型提供了一個新的觀測約束,它因此被列為20世紀60年代天文學四大發現之一。彭齊亞斯和威爾遜於1978年獲得了諾貝爾物理學獎。瑞典科學院在頒獎決定中指出:這一發現,使我們能夠獲得很久以前宇宙創生時期所發生的宇宙過程的資訊。

 

最後還有一個證實熾熱高密度宇宙起源理論的證據。只要知道今天熱輻射的溫度,由熱大爆炸理論很容易計算出宇宙誕生後約1秒時各處的溫度約為100億度,這對現有的原子核的合成來說也是太高了。那時物質必定被撕裂成最基本的成分,形成一鍋誇克膠子湯,諸如質子、中子和電子。但是,隨著這鍋湯變冷,核反應就可能出現了。

 

採用大爆炸模型可以計算氦-4、氦-3、氘和鋰-7等輕元素相對普通氫元素在宇宙中所占含量的比例。所有這些輕元素的豐度都取決於一個參數,即早期宇宙中光子與重子的比例,而這個參數的計算與微波背景輻射漲落的具體細節無關。大爆炸理論所推測的輕元素比例(這裏是元素的總品質之比而非數量之比)大約為:氦-4/=0.25,氘/=10^-3,氦-3/=10^-4,鋰-7/=10^-7

 

實際測量到的各種輕元素豐度和從光子重子比例推算出的理論值加以比較,可以發現它們是粗略符合的。其中理論值和測量值符合最好的是氘元素,氦-4的理論值和測量值接近但仍有差別,鋰-7則是差了兩倍,對於後兩種元素的測算存在著較大的系統隨機誤差。儘管如此,大爆炸核合成理論所預言的輕元素豐度與實際觀測可以認為是基本符合,這是對大爆炸理論的強有力支持。

 

到目前為止,還沒有其他理論能夠很好地解釋並給出這些輕元素的相對豐度。同時,由大爆炸理論所預言的宇宙,其中可被調控的氦元素含量也不可能超出或低於現有豐度的20%30%。事實上,很多觀測結果現今也只有大爆炸理論可以解釋,例如為什麼早期宇宙中氦的豐度要高於氘,而氘的含量又要高於氦-3,而且比例又是常數等。

 

2014317美國物理學家宣佈,首次發現了宇宙原初引力波存在的直接證據。

原初引力波是愛因斯坦於1916年發表的廣義相對論中提出的,它是宇宙誕生之初產生的一種時空波動,隨著宇宙的演化而被削弱。科學家說,原初引力波如同創世紀大爆炸的餘響,將可以幫助人們追溯到宇宙創生之初的一段極其短暫的急劇膨脹時期,即所謂暴漲

然而,廣義相對論提出近百年來,源於它的其他重要預言如光線的彎曲、水星的近日點進動以及引力紅移效應等都被一一被證實,而引力波卻始終未被直接探測到,問題就在於其信號極其微弱,技術上很難測量。

美國哈佛-史密森天體物理學中心等機構物理學家利用架設在南極的BICEP2望遠鏡,觀測宇宙大爆炸的餘燼”—微波背景輻射。微波背景輻射是由彌漫在宇宙空間中的微波背景光子形成的,計算表明,原初引力波作用到微波背景光子,會產生一種叫做B模式的特殊偏振模式,其他形式的擾動,都產生不了這種B模式偏振,因此B模式偏振成為原初引力波的獨特印記。觀測到B模式偏振即意味著引力波的存在。

南極是地球上觀測微波背景輻射的最佳地點之一。研究人員在這裏發現了比預想中強烈得多B模式偏振信號,隨後經過3年多分析,排除了其他可能的來源,確認它就是原初引力波導致的。

 

美國人索爾·珀爾馬特和亞當·裏斯以及持有美國和澳大利亞雙重國籍的布賴恩·施密特獲得2011年度諾貝爾物理學獎。諾貝爾物理學獎評審委員會4日評價,這3名獲獎者研究幾十顆處於爆炸狀態的恒星即超新星,發現宇宙正在擴張過程中,擴張速率不斷加速

 

在瑞典首都斯德哥爾摩瑞典科學院內,諾貝爾物理學獎當地時間1145分(北京時間1745分)揭曉。

 

珀爾馬特、裏斯和施密特的研究物件,是一些大品質恒星在演化後期伴隨星核與星殼分離出現的一種現象,即超級規模大爆炸。品質相當於太陽的825倍的恒星以超新星爆發方式結束生命,而恒星外側氣體包則高速拋離,所顯現的絕對光度可超過太陽光度100億倍。

 

分析特定類型的超新星爆發,珀爾馬特、裏斯和施密特所屬的研究小組發現,超過50顆超新星所顯現的光度比先前預期暗淡。對這一結果的解釋,是宇宙正在加速擴張。

 

這個發現,被瑞典皇家科學院稱為震動了宇宙學的基礎

 

諾貝爾物理學獎評審委員會認定,3名獲獎者所獲研究結果改變了人類對宇宙的認識。將近一個世紀,一種公認看法是,宇宙正在擴張,是大約140億年前大爆炸的結果。評審委員會說。

 

不過,發現宇宙擴張正在加速,令人驚異。評審委員會介紹說,如果擴張繼續加速,宇宙將以冰凍狀態終結。

 

另外,3人的研究,確認了最初由科學家阿爾伯特·愛因斯坦提出的一種理論,即他稱之為宇宙學常數的理論。

 

1998年,珀爾馬特主持一個研究小組,施密特則主持成員包括裏斯的另一個研究小組。兩個小組各自努力,相互競爭,而觀測結果可謂不約而同

 

評審委員會宣佈,獎金1000萬瑞典克朗(約合146萬美元),珀爾馬特獲二分之一,施密特和裏斯獲另外二分之一。

 

20145月,科學家製作出最為完整、清晰度最高的宇宙演化的電腦模型,類比宇宙以暗物質為起點誕生並演化的過程。

 

本次建立的電腦模型和真實的宇宙驚人得相似。在超級電腦和Arepo智慧軟體的幫助下,科學家們在3個月內完成了一部普通筆記本電腦200年才能完成的運算任務。這個電腦模型可用於測試有關宇宙構造和運轉原理的理論。有關科研成果已經在《自然》上發表。

 

我們生活的地球之外的空間,是一個廣閻無坦廣闊無垠的星星世界,我們稱之為宇宙。它的起源一直受到人們的關注。

 

一般認為,宇宙產生於140億年前一次大爆炸中。大爆炸後30億年,最初的物質漣漪出現。大爆炸後20億~30億年,類星體逐漸形成。大爆炸後90億年,太陽誕生。38億年前地球上的生命開始逐漸演化。

 

大爆炸散發的物質在太空中漂遊,由許多恒星組成的巨大的星系就是由這些物質構成的,我們的太陽就是這無數恒星中的一顆。原本人們想像宇宙會因引力而不再膨脹,但是,科學家已發現宇宙中有一種暗能量會產生一種斥力而加速宇宙的膨脹。

 

大爆炸後的膨脹過程是一種引力和斥力之爭,爆炸產生的動力是一種斥力,它使宇宙中的天體不斷遠離;天體間又存在萬有引力,它會阻止天體遠離,甚至力圖使其互相靠近。引力的大小與天體的品質有關,因而大爆炸後宇宙的最終歸宿是不斷膨脹,還是最終會停止膨脹並反過來收縮變小,這完全取決於宇宙中物質密度的大小。

 

理論上存在某種臨界密度。如果宇宙中物質的平均密度小於臨界密度,宇宙就會一直膨脹下去,稱為開宇宙;要是物質的平均密度大於臨界密度,膨脹過程遲早會停下來,並隨之出現收縮,稱為閉宇宙

 

問題似乎變得很簡單,但實則不然。理論計算得出的臨界密度為5×8^-30/釐米3。但要測定宇宙中物質平均密度就不那麼容易了。星系間存在廣袤的星系間空間,平均密度就只有2×10^-31/釐米3,遠遠低於上述臨界密度。

 

然而,種種證據表明,宇宙中還存在著尚未觀測到的所謂的暗物質,其數量可能遠超過可見物質,這給平均密度的測定帶來了很大的不確定因素。因此,宇宙的平均密度是否真的小於臨界密度仍是一個有爭議的問題。不過,就目前來看,開宇宙的可能性大一些,因為宇宙中還有更多的暗能量。

 

恒星演化到晚期,會把一部分物質(氣體)拋入星際空間,而這些氣體又可用來形成下一代恒星。這一過程中氣體可能越來越少(並未確定這種過程會減少這種氣體。)。以致於不能再產生新的恒星。10^14年後,所有恒星都會失去光輝,宇宙也就變暗。同時,恒星還會因相互作用不斷從星系逸出,星系則因損失能量而收縮,結果使中心部分生成黑洞,並通過吞食經過其附近的恒星而長大。(根據質能守恆定律,形成恒星的氣體並不會減少而是轉換成其他形態。所以新的恒星可能會一直產生.)

 

10^1710^18年後,對於一個星系來說只剩下黑洞和一些零星分佈的死亡了的恒星,這時,組成恒星的質子不再穩定。10^32年後,質子開始衰變為光子和各種輕子。10^71年後,這個衰變過程進行完畢,宇宙中只剩下光子、輕子和一些巨大的黑洞。

 

10^108年後,通過蒸發作用,有能量的粒子會從巨大的黑洞中逃逸出。宇宙將歸於一片黑暗。這也許就是開宇宙末日到來時的景象,但它仍然在不斷地、緩慢地膨脹著。(但質子是否會衰變還未得到結論,因此根據質能守恆定律。宇宙中的質能會不停的轉換。)

 

閉宇宙的結局又會怎樣呢?閉宇宙中,膨脹過程結束時間的早晚取決於宇宙平均密度的大小。如果假設平均密度是臨界密度的2倍,那麼根據一種簡單的理論模型,經過400500億年後,引力開始占上風,膨脹即告停止,而接下來宇宙便開始收縮。

 

以後的情況差不多就像一部宇宙影片放映結束後再倒放一樣,大爆炸後宇宙中所發生的一切重大變化將會反演。收縮幾百億年後,原來星系遠離地球的退行運動將代之以向地球接近的運動。再過幾十億年,宇宙背景輻射會上升到400開,並繼續上升,於是,宇宙變得非常熾熱而又稠密。 在坍縮過程中,星系會彼此併合,恒星間碰撞頻繁。

 

這些結局只考慮到引力作用。實際上可能有更多其他的複雜因素。

 

2002年,據中國網 報導,美國普林斯頓大學的保羅·斯坦哈特教授與英國劍橋大學的尼爾·圖羅克教授,發表了關於宇宙無始無終的新論斷。他們認為,宇宙既沒有誕生之日,也沒有終結之時,而就是在一次又一次的大爆炸中進行運動,循環往復,以至無窮的。至於宇宙無始無終的新論是否正確,報導中認為,過幾年國際天文學界可望對此做出驗證。但直到2013年,迴圈宇宙的觀點仍存在爭議。

 

加速膨脹

一個科學家小組使用美國宇航局斯皮策空間望遠鏡進行的最新測量顯示,宇宙的膨脹速度約為46英里(74公里)每秒·每百萬秒差距(更精確的數值為:74.3 ± 2.1 (km/s)/Mpc)

 

浩瀚宇宙為天文學家的觀測和研究提供了無限可能。誰能想像,璀璨星空正在不斷遠離我們,終有一天會在我們眼中消失?然而,諾貝爾獎獲得者布萊恩·施密特指出,這就是正在發生的事實——物質與物質之間的空間正在加大。這意味者大概百億年後的未來,絢爛的星空用肉眼再難觀測到,黑夜將一片空寂,大概1000億年之後,除了我們所在的銀河系,所有星系都將相距遙遠各自飄離,人們看到的宇宙將空無一物。

 

美國科學家日前表示,基於相關發現中所獲資料的計算產生了一個壞消息,即宇宙可能會在數百億年後面臨一場災難。如果你利用我們現在知道的所有物理學(知識)直接計算,這是個壞消息,美國費米國家加速器實驗室理論物理學家約瑟夫·利肯日前在美國科學促進會2013年年會上對媒體表示。美國科學促進會成立於1848年,是世界最大的科學協會之一,《科學》雜誌也由其出版。

 

利肯說,我們生活的宇宙並不穩定,科學界一直希望推算宇宙的長期穩定性,但這需要獲得希格斯玻色子和其他亞原子粒子的精確品質,最近的發現提供了相關資料,在此基礎上進行的計算顯示數百億年後將有一場災難——“一個被認為會成為替代宇宙的小空泡將在某處出現,隨後逐漸膨脹並最終將我們破壞。他認為,小空泡將以光速膨脹。()