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    星系膨胀-大爆炸宇宙学

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    • Lv.9高能中微子
      阿基米德🌏

      1929年哈勃从星系红移与距离的关系得到:v=H0l,其中,l为星系到我们的距离,H0是哈勃常数,v为天体的退行速度。哈勃定律表明,天体离开我们愈远,退行速度就愈大;而且从任何方向看天体都在离我们而去。为什么天体的退行速度随距离而增加呢?这种退行各个方向上都一样,那么我们是否处在宇宙中心呢?如果我们不在宇宙的中心,那么如何理解这一确定的观测事实呢?

      把宇宙中的星系看作“分子”,星系膨胀中参与两种运动:“分子”具有的膨胀速度,它相对于流体元的无序运动速度(称为星系的本动速度)。这反映于物质分布的局域的不均匀性,典型值为500千米每秒,由哈勃定律,当距离大于20兆秒差距时,膨胀速度便大于本动速度。哈勃定律反映的是宇宙整体膨胀规律,而不是星系个体运动规律。而只有遵循哈勃定律,宇宙才能保持均匀性。

      我们可以这样来理解:当气球膨胀时,站到气球上的每一点上看,其他的点都远离你而去,而且愈远的离开的速度愈快。各点观测到的情况都一样,没有中心。另一个例子,让我们来考察一个含有葡萄干的面包。当面包发起来的时候,每个葡萄干都看到其他葡萄干远离自己而去。而且,愈远的葡萄干离得愈远,即膨胀的速度愈快。每个葡萄干看上去都一样,没有中心。

      上面的类比表示星系退行观测事实,反映真实的宇宙在膨胀——随着时间的推移,宇宙在不断地膨胀。如果逆着时间看,时间愈早,气球愈小。那么膨胀的宇宙是从哪里开始的呢?

      比利时宇宙学家、数学家、天主教神父勒梅特(G.Lemaitre)在1931年提出:开始时,宇宙中所有星系都聚集在一起,称为原始原子,这个原始原子突然爆炸了,把所有星系抛入空间。尽管他没有提出大爆炸宇宙学这个名称,但他关于宇宙学的最重要的思想就是大爆炸。

      1948年俄裔美国人伽莫夫(G.Gamow)将宇宙膨胀与元素形成结合起来,奠定了大爆炸宇宙学。大爆炸宇宙学认为,大爆炸发生在大约150亿年前。宇宙是有限的,但是宇宙是无界的。

      将时间往前推,当宇宙尺度为今天的百分之一时,宇宙密度将达到今天的100万倍,大于星系的密度,星系不能存在。由此我们推知,宇宙结构在某一时间前是不存在的,宇宙结构只能是演化的产物。

      没有结构前,宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体,温度高,越早温度越高,密度越大。温度高于104K时,粒子热运动能太大,中性的原子不能形成。中性原子只在3000K左右时,才能形成。当温度低于3000K时,电子与原子核结合为中性原子,大量散射光子的电子消失。宇宙失去大量电子,光子不再受到电子的强烈散射。于是宇宙开始透明,光子与物质失去了耦合。于是宇宙介质作为独立部分留下来,而我们能看到最早的宇宙,就是作为历史遗迹的2.7K背景辐射光子。

      当温度高达1010K时,粒子热碰撞使原子核瓦解。这就是说,原子核也是演化的产物。现在观测到的1/4的氦丰度,就是早期宇宙核合成的结果。

      以上内容摘自《通俗天文学》

       

       

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