從宇宙的第一個分子到主要構成,其基本性質與是否旋轉有何關聯?

2021-01-19 悟空科學

本文參加百家號科學#了不起的天文航天#系列徵文

作者:石蘭(抄襲必究)

人類對未知宇宙的探索欲望與日俱增,我們不再局限於了解自己所在的星球,更將眼光放遠到系外行星世界、乃至整個宇宙。對宇宙學的研究,不僅是人類最古老的興趣科目之一,也是最新的科學研究內容,我們開始將宇宙當作一個實體來進行分析。生活在地球上的我們,不僅位於太陽系、銀河系,同時也存在於宇宙這個更大的大範圍之內,因此,對宇宙有更多的了解,對於我們追溯過去和預知未來都尤為重要。比如,宇宙中的第一個分子,如何構建了可見宇宙中的所有事物?而宇宙的主要構成和是否旋轉,對宇宙之後的演變和基本性質又有怎樣的決定性作用?

宇宙中的第一個分子

在宇宙中,當生命最小的構建塊發生第一次結合,並形成原子的時候,大約發生在宇宙大爆炸的幾十萬年之後。當氦原子上升成為一個帶正電荷的氫離子,宇宙的第一個分子氫化氦便形成了。科學家們一直在宇宙中尋找這種原子的痕跡,直到在一顆垂死的恆星周圍找到它,該星球與我們相距3000光年左右的距離,而氫化氦就藏匿於它周圍的氣體中。儘管對於我們如今的地球而言,氫化氦所能發揮的空間很有限,但這並不影響它在宇宙化學中的地位。並且,在早期宇宙自然條件下形成的它,科學家們耗費了長達數十年的時間搜尋,並最終得到一個圓滿的結局。

氫化氦是由氫和氦這兩種宇宙中最豐富的元素製成,並於1925年在實驗室第一次合成,在我們生活的地球上,它更是已知酸性最強的物質。科學家們對其早有預測,認為它應該在138億多年前就產生了,出現在核反應堆的它是宇宙中形成的第一個分子。儘管我們無法重新回到它剛剛誕生的時候,但卻可以在現代宇宙中複製這樣的條件,比如,那些垂死的恆星,它們往往都位於等離子體和氣體爆發的年輕星雲中。比如,當像我們太陽這樣的恆星抵達生命的最後階段時,便會形成所謂的行星狀星雲,並在其外殼爆炸之後坍縮形成白矮星,直至最終冷卻為一個近似水晶球的物體。

恆星冷卻的過程,同時也伴隨著電子附近的氫原子被剝離,並最終將原子轉化為形成氫化氦所需要的裸質子。之所以科學家們為尋找它的蹤跡耗費了如此漫長的時間,是由於地球的大氣很容易將它所發出的紅外波長掩蓋,所以,雖然有的行星狀星雲和地球之間的距離很近,但仍然很難檢測到氫化氦的存在。後來,科學家們終於想到一個解決辦法,那就是在SOFIA的移動飛機上安裝高科技望遠鏡,才得以解決了地球大氣霧霾的問題。而發現氫化氦的地方,正是星雲NGC 7027上最有名的恆星之一,位於其周圍的星雲都炙熱而緊湊,其外殼的脫落時間大約為600年前。科學家們在該星雲中探測到氫化氦的存在,不僅是對大自然形成分子傾向的最佳證明,這種在數千攝氏度環境下形成的脆弱分子,也為宇宙的起源等問題提供了重要依據。

宇宙是由什麼構成的

宇宙的構成是一個龐大的數字集合,包含了數萬億顆恆星、數十億個星系,以及無法進行數量計算的行星、衛星、彗星、塵埃和氣體雲,而這一切物體都在這個龐大的空間中運轉自如。那麼,這些天體的「構建塊」是否都是一樣的,它們又都來自於何處?說起宇宙中存在的元素,那麼氫和氦一定是其中最常見的,正是它們的組合才有了之後的所有普通事物。然而,這些物質加起來也只佔據了宇宙中的極小一部分,可觀測的宇宙物質組成部分大約只有5%的樣子,而剩下的都是只能間接測量、甚至暫時無法觀測的部分,也就是我們看不見的一些物質構成,它們佔據著宇宙質量的絕大部分。

當宇宙發生大爆炸的時候,不僅創造了宇宙中可見的每一個物體,從大質量恆星、黑洞到宇宙塵埃的斑點,而且還創造了暗物質這種看不見的粒子,以及暗能量這種無法抗拒力量。儘管科學家們無法對暗物質進行直接觀測,但它卻會在宇宙微波背景輻射和宇宙的第一道光中蘊藏了自己的指紋,而它的第一次提出是在20世紀30年代的時候,因為存在著一種看不見的拉力,讓星系團產生了快速的移動。當時間來到20世紀70年代,科學家們發現恆星的旋轉速度超過了預期,並進一步找到了更多可以間接確認暗物質存在的證據。直至目前,儘管科學家們並沒直接看到或測量到這種物質的存在,但依然可以確認它就是宇宙構成的重要部分,並在之後的研究中發現了比暗物質更豐富的暗能量。

在對暗物質進行的研究中,科學家們很關注暗物質本身是否足以導致膨脹的擴散,並致使宇宙開始向內坍塌。但結果卻發現宇宙不僅不會發生膨脹擴散,甚至還以更快的速度進行向外擴張。因此,宇宙中應該存在著一種未知的力量,它足以推動宇宙、並加速其動量,科學家們將其稱為暗能量。研究人員通過解釋宇宙加速膨脹率所需力的模型得出,這種神秘的暗能量在宇宙中至少可以佔據70%到75%的百分比,從而也得出了暗物質的佔比大約在20%到25%左右。正是由於暗能量在宇宙中佔據了接近四分之三的部分,它將在宇宙之後的演化過程中發揮至關重要的作用,暗能量的本質對宇宙的命運有充分的決定權,因而對它進行更好地理解,成為了科學家們目前面臨的最大挑戰。

宇宙是否會發生旋轉

在宇宙可觀測部分的物體中,不管是行星、恆星,還是我們的銀河系本身,它們都有一個共同的特性,那就是旋轉。有一個謎團對我們的科學家困擾了許久,那就是我們的宇宙是否也正處於旋轉的狀態之中?這的確是一個非常抽象的問題,但它的答案卻可以幫助我們更好地理解宇宙的基本性質,更是對基礎物理學進行研究的一種方式。由於很多東西我們都無法在地球的實驗室中進行測試,但宇宙的幾何學中卻會蘊藏很多和基礎物理學有關的內容。在對宇宙的基本性質進行思考的時候,科學家們首先對宇宙的活動進行了假設,並以此創建了一個宇宙學標準模型。

科學家們通過手機觀察結果的方式,來驗證這樣的假設是否正確,尤其是那些來自於宇宙微波背景的光(CMB)。雖然CMB在各個方向上具有很高的相似度,但卻會有溫度的微妙變化,哪怕只有千分之一度。研究人員正是通過這些差異數據,得出宇宙是否發生翹曲,也就是它的旋轉或者擴展、是否存在著不同方向上的強度差異,而光的偏振測量,便可以提供宇宙幾何的重要信息。但是,從研究結果來看,CMB並沒有證據可以表明,宇宙正處於旋轉的狀態之中,並且,不管你從哪個方向來觀看宇宙,它似乎都是一樣的。

簡而言之,在之前進行的所有研究中,都一致地表明了我們的宇宙呈現出的狀態是均勻的,而並非像其他天體一樣擁有旋轉的特性。並且,即使在以後數十年裡我們可以進行更多的研究, CMB極化的測量也因為技術的提升而得到了更好的改善,但該結論也難以被改變,簡而言之,新的數據難以對目前的研究結果有所挑戰。對於建立假設模型的宇宙學家而言,宇宙並不會旋轉的結果對他們來說可能是一種解脫,並且,我們在宇宙中的位置,也因此而有了更有趣的視角,儘管銀河系本身的大小看上去似乎微不足道,但這並不影響我們成為其中一個最令人著迷的世界。

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