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道神居

地生万物以养人,缘何夺物以奉天!!

 
 
 

日志

 
 

宇宙的奥秘---宇宙的起源与演化  

2008-02-24 21:19:03|  分类: 宇宙与原子 |  标签: |举报 |字号 订阅

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在过去的几十年中,天文学家们已逐渐认识到现在宇宙的年龄约为100亿至150亿年之间,这段时间若与人类历史或者地质年代相比简直太长了。但从某种意义上说,宇宙仍然是个新生儿,人生历程才刚刚开始,宇宙自身许多的神奇故事还没有上演呢!

  在天文学家们的日常工作中,经常讨论一些也许多少亿年也不会发生的事情。比如,根据恒星演化的理论,在大约11亿年以后,我们的太阳将变得非常热,被煎熬的地球由于不再适于生命的存在而变得一片荒凉。70亿年以后,它将成为一个庞大的红巨星。接着在随后的几亿年的时间里,它将耗尽自己的核能,外壳变暗成为一颗白矮星,进而开始了一个漫长的逐渐暗淡的过程。

  这些严肃的事实让人不禁会问,是不是天上所有的星星都有一天会走到自己生命的尽头?是否有一天每颗星都已熄灭而又灭有更多的产生出来?如果所有的星都已逝去了,宇宙中将会发生什么事情?生命会在以个无星的环境中存在吗?生命是否还有其它奇怪的形式?并且很快我们就会问到这样一个终结问题:宇宙是否存在一个最终状态,在此以后又重新开始的可能也没有?

  以上这些问题中部分问题的答案正在逐渐变得清晰。大致而言,宇宙的前途有三种可能:封闭、平直和开放。对封闭宇宙猛烈的攻击始于1969年Martin Rees(现在是英国皇家天文学家)的一篇开创性的文章。而后,Iamal Islam 和Freeman Dyson推动了开放和平直宇宙模型的长远发展。

  在此,根据Rees, Islam, Dyson 的理论以及现在人类对物理和天文的最新理解,为大家描绘出遥远未来宇宙的一幅图象。正象我们的描述与前人的描述在一些细节上有所不同一样,随着天文学和物理学的发展,这些描述同样也会被重写。

                  一个开放的宇宙

  大爆炸理论空前成功地解释了我们现在的宇宙及其特性,特别是在 有关宇宙膨胀、微波背景辐射及各种轻元素的不同丰度等方面,而几乎所有的通常意义上的 物质都是由这些轻元素组成的。

  始自大爆炸的宇宙将面临三种不同的命运:一个封闭的宇宙将由于自身引力作用而最终走向塌缩,开放的宇宙将永远膨胀下去,平直宇宙则介于二者之间,它也会永远膨胀下去,膨胀速度不断减慢,但永远不会达到静止。

  最后的结局从宇宙开始就已决定了。它取决于宇宙的总体密度,一个被宇宙学家称之为Ω的值。平直宇宙,处于准确的平衡状态,其Ω值被定义为1。如果Ω大于1,哪怕仅超过一点点,宇宙就会拥有足够的质量也可以说是能量,从而靠其自身引力阻止膨胀的趋势,把所有的物质拣回到一个难以想象的奇点,如果Ω小于1,宇宙正以快与其"逃逸速度"的速度在膨胀,且会继续膨胀下去。

  我们到目前还没有完全确定哪一种可能性是正确的。但一个最终判决正在到来,基于近来几种方式的天文观测表明Ω在0.2至0.3之间。这么低的值的可能性很大。许多理论学家倾向于Ω等于1。但不论观测还是理论都没有得出过大于1的结论。

  如果Ω小于或等于1,那么宇宙将回存活足够长的时间以允许许多有趣的事件发生。封闭的宇宙则不会让所有激动人心的事件全部发生。在这篇文章中,我们暂且认为宇宙会永远膨胀,并可以持续到无穷的时间。

                   暴胀时代

  对于宇宙的极早期,我们知之甚少,虽然如此,现代物理还是把答案归咎于大爆炸。理论物理学家已经提出了一些看似可行的观点来解释宇宙的开始。一般认为存在许多次大爆炸,而非一次,不断地从以前形成的时空中产生出来,每次大爆炸,宇宙都迅速涨大,并从产生它的母体中分离,这个新的宇宙与其它宇宙相互隔离并且是以其自有的方式演化。

  对于我们存在的这个宇宙,对数时间轴有一个确切的始点:10E-44秒,这个时间称为普朗克时间,被认为是时间的量子单位,不能把时间划分得比这儿再小了,正如一种基本粒子电子不能再分割成更小的成分一样。

  根据现有理论,时间轴上下一个重要的事件于发生于10E-7量级之后,即10E-37秒的时候,在此时新生的宇宙具有难以置信的高温和密度。超高能量的量子场使空间以很大的加速度在膨胀。与此同时,产生了非常小的密度起伏,否则这个微小寂寞的宇宙将充满光滑又毫无特征的能量场。这些微小的变化随空间的膨胀而保留了下来。他们以后便成为了我们现在所看到的星系、星系团和大尺度结构的种子。在10E-32秒的时候,这样的暴涨停止了,随后宇宙膨胀的步子温和多了。

这里要提醒大家注意的是:暴胀理论预言的宇宙Ω0等于1,至少也是理论的最简单情况。物理学家正设法使这种理论能产生出开放的宇宙来。

                  辐射为主的时代

下一个不断冷却且不断膨胀的时代持续了10E43个数量级,直至宇宙的年龄为一万年,在这段时间里,宇宙中除了光滑单一的辐射海洋外,几乎一无所有,我们熟悉的天体,如恒星和星系,现在还没有诞生。

在一辐射为主的时代中,许多重要的时间奠定了我们现在所知宇宙的性质,例如:复杂粒子的相互作用使得正物质比反物质稍稍多了一点。反物质和几乎所有的正物质都相互湮灭了。残留下来的一些正物质便形成了我们知道的这个宇宙。

  大爆炸后数分钟时,冷却的物质开始形成轻元素的核,包括氢、氘、氦和锂。核物理定律对标准大爆炸模型在这时期的温度、压强和密度已经开始适用。因此我们可以准确地计算所应产生的原物质的成分。计算结果与我们实际所观测到的宇宙中最古老的物质的成分是相等的。

当不断减少的辐射能量密度低于物质的能量密度时,辐射为主的时代结束了。

  以上情况不久,另一有划时代意义的事件便发生了。在宇宙年龄为30万年时,宇宙的温度第一次下降到了可以让整个原子(特别是氢原子)得以形成并保持下来的程度。在此之前,温度太高了,即使有一电子与原子结合在一起也会很快被撞为自由电子的。宇宙转化为由中性氢构成的这一时期被称为"复合时?quot;。

这个过程很重要,因为这是第一次把宇宙从辐射中解放出来,还之以透明。在此之前,宇宙是不透明的辐射不断地与物质粒子相互作用。由于气体氢是透明的,所以这时的辐射可以自由飞翔了。首次一自由光的形式传播。今天我们观测到的微波背景辐射就是复合时期遣留下来的。由于其强度大大减弱,该辐射已经产生了很大的红移。

  由此开始,那些没有被漫步宇宙的辐射之海所平滑掉的物质密度的起伏开始产生结构,我们熟悉的天体,像恒星和星系开始形成。

                  恒星时代

  恒星时代意味着这是一个"充满恒星"的时代,在该时代中,宇宙中产生的大部分能量来自于普通恒星的核聚变。恒星不断地形成、演化和死亡。我们目前就生活在恒星时代中期。

第一代恒星可能形成于宇宙仅有几百万年历史的时候(虽然这类属于"星族Ⅲ"的恒星到目前还没被证实)。在随后的几十亿年间,最初的星系开始出现,并逐渐形成星系团、超大星系团和大尺度结构。在很多星系内部,恒星形成过程以惊人的速率发生。许多年轻的星系还经历着与其贪婪的中心黑洞有关的剧烈过程。黑洞会把魔爪的恒星撕裂,并把它们变成由热气体组成的围绕其自身的吸积盘。在时间的长河中,大多数的类星体和活动星系核逐渐死去。我们的太阳和太阳系形成得稍晚,大约在45亿年前,这时银河系已经存在了相当长的一段时间了。

  在我们太阳系演化的过程中,不能不提的一个事件是当太阳耗尽其氢燃料后,重新调整自身结构并形成一颗红巨星。计算机模拟结果表明太阳表面将会令人伤心地膨胀到几乎足以吞没我们的地球,强大的热量将使地壳熔化,毁灭所有曾经存在于这个行星表面的生物和文明留下的证据。

然而,地球也在以各种可能的方式脱离这场灾难。成为红巨星的太阳将以很强的太阳风的形式抛弃大量物质。随着胀大的太阳把它的物质丢弃在太空,地球的轨道也会逐渐扩展一些,到一个稍安全些的地方,也许会变得和目前火星轨道大小差不多。

  与此同时,在更大的尺度上,星系之间的碰撞和合并也在继续,然而这对星系中的单个恒星或行星并没有多少影响。据估计,60亿年后,我们的银河系将与M31,即仙女座大星云产生相互作用,即使那次不会合并,在更久远的未来这种命运也是难以逃脱的。这两个星系是很明显地由引力作用束缚在一起的一对儿,两者合并为一个更大的系统仅是一个时间问题。

  对很多存在与星系团中的星系来说,相似的命运在等待着它们。在以后几个宇宙时代里,当时间以太年(即10E12年)来计算时,星系团也将合并,并让位于更大的不定型的类星系系统,在一些富星系团中,这样的过程已经开始上演了。

  随着恒星时代的继续,一个关键性的角色将落到一类最不起眼、最通常的星体上,这就是红矮星。这类星的质量不足太阳质量的一半,但由于其数量庞大,它们的总质量很容易就超过其他星体质量的总和。尤其需指出的是,这些红矮星在把他们的氢燃烧成氢的过程中,可是真正的吝啬鬼。它们节省着自己的燃烧,以至于在九太年之后它们中的最节俭的成员还在闪闪发光。到那时,所有大一些的星都早已燃尽而变成象冰冷的白矮星这样的残渣或者以超新星的形式炸毁了。红矮星的长期演化与太阳这样更重些的恒星是不同的。最小的恒星在把自身的氢燃烧成氦的过程中,其亮度和温度都增加得非常缓慢,而不是很快膨胀并变成红巨星。一个很有趣的巧合:一个0.2太阳质量的恒星将经历一个相对平淡的人生,直到将近生命的尽头。在这期间,它的大小、温度、光度都几乎不变,其数值与今天的太阳差不多。

  小质量星将在遥远的未来经历长时间的逐渐加热过程。在以后的某阶段,它们将比现在这种虚弱状态明亮得多。这也许需要几十亿年的时间,比如,一个0.16太阳质量的恒星在以后55亿年期间,其亮度将从现在太阳亮度的10%增加到25%,这段时间已足够在所有合适的行星上产生生命,比如我们的地球。在此之前,这些行星将在寒冷的状况下呻吟,以为这需要最小的恒星花几太亿年的时间在低温的主序阶段缓慢的进化。我们大胆地设想假如我们能达到这样一个遥远的未来中的行星,我们会发现一个和现在地球差不多的世界被照耀在阳光下,但那时的夜晚的空间将是一片空白,好象没有一颗星。

  最后,即使是最小质量的红矮星也燃尽了它的氢,而一低质量的白矮星的形式结束它的生命。今天处于主序最低层的星,其质量仅有太阳的百分之八,它的主序阶段将持续10太年,而以后又该如何呢?

一个星系只要它能不断地得到星际气体这种原料,它就能维持星系内恒星的不断产生,随着恒星时代星风的减弱,恒星形成率也在不断下降。虽然这种趋势相当缓慢,10太年到100太年之后(这段时间相当于最长寿命的恒星的生命期),宇宙中的氢将耗尽,普通恒星的形成过程也永远不会再有了。

  最后阶段产生的恒星们将是经历过许多代恒星演化循环的气体聚合而成的。因此,在这些后天恒星中,比氢和氦中的元素的含量会很高。当氧在恒星混合物中的含量足够高时,具有0.04个太阳质量的天体会在它的上层大气中形成厚厚的冰云,从而停止自身的收缩。核心因微量的核聚变而产生的热与从表面散失的能量保持平衡,使云层保持温热。这是些很怪异却真的很冷具有冰大气的天体。

  当最后一颗红矮星也暗淡后,恒星时代也就结束了,这时宇宙的年龄大约是10E14年,天空中已没有一颗闪亮的恒星了。

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