天文學概述:從「大爆炸」到「太陽系」

2020-12-04 哲學社

大爆炸理論的基本觀點是:宇宙在過去有限的時間之前,由一個密度極大、溫度極高的初始狀態演變而來,並經過不斷的膨脹才形成今天的狀態。根據2010年的研究成果,從大爆炸至今,大約經歷了133億年至139億年。

最初的幾秒,宇宙溫度是極高的,溫度本身是對物質運動能量的一種量度,其所體現的是微觀粒子的極度不穩定,以接近光的速度來運動。而密度極大,是對物質質量的一種量度,如果物質不能被創造也不能被消滅的話,那麼「奇點」的質量便等於現在宇宙質量的總和。

1秒之後,溫度下降到100億攝氏度,者仍然是太陽中心溫度的1000倍。這時候宇宙的主要成員是電子、中微子、光子以及他們的反粒子。隨著不同粒子的互相碰撞,新產生的粒子會跟他們的反粒子一起湮滅,電子跟反電子湮滅的同時產出光子。

微小的電中性被成為「鬼粒子」,如果世界上真的有鬼的話,那麼存在形式就是中微子的形式。它的個頭非常小,質量近乎為零,可以接近光速運行。可以輕輕鬆鬆地穿過人體、建築甚至地球。幾乎不跟物質發生作用。1956年,弗雷德裡克通過觀察中微子誘發反應,證明了它的存在。1998年,超神崗實驗室發現了中微子振蕩,證明了它有微小的質量。

中微子不參與電磁相互作用和強相互作用,但是參與弱相互作用。它既是單個的質量非常小,但是在宇宙初期中微子的總量是非常巨大的。科學家推測中微子很可能就是構成暗物質、暗能量的在基本粒子。它的存在,使得天體具有足夠的引力來遏制宇宙膨脹。或者說,中微子決定了宇宙是膨脹還是收縮。

100秒後,宇宙下降到了10億攝氏度。由於這個溫度已經不足以讓中子和質子克服強核力,一個中子一個質子便形成了「氘」的原子核,兩個質子和兩個中子形成更重要的元素鋰和鈹。據說當時有四分之一的中子和質子形成了氦核,還有少量的氘和其他元素。剩下的中子繼續衰變為質子。

在幾個小時候,氦和其他元素的產生就停止了,接下來的100萬年內,空間繼續膨脹,溫度繼續下降,並沒有產出什麼心事物來。直到溫度下降到幾千攝氏度時,電子和原子核運動速度下降無法克制彼此間的引力,形成原子。由於引力的作用,宇宙從超高速膨脹,下降為高速膨脹。

宇宙膨脹在大尺度上密度幾乎是均勻的,但在局部區域存在稍微密度大一些的物質,通過引力作用開始吸附其他物質使得自身密度更大,最終導致該區域內出現坍縮。隨著坍縮區域越來越小,它的自轉速度開始變快,這種旋轉速度快到足以跟引力平衡,這樣一個旋轉的星系就誕生了。於此同時,由於蝶狀星系自旋的擾動,讓原本不旋轉的其他區域也開始自旋,就順勢形成了橢圓形的星系。

星系中的氦氣和氫氣在自身的引力下不斷坍縮,隨著密度增大,溫度升高,開始核反應,它將氫氣轉變為氦氣並且放出大量的光子和熱能。熱氣雲一旦合併成恆星,核反應產生的熱和引力至今將會形成一種相對平衡。接下來的事情,有著多種可能性,核心中心區域有可能形成類似中子星的緊緻狀態,也有可能像超新星爆炸那樣把吸附過來的物質重新甩出去。哪些被拋出去的元素成了下一代恆星的原料。

我們的太陽系有可能是第二代或者是第三代的恆星,因為它含有2%的重元素,這意味現在的太陽中包含著一些曾經恆星衰敗過程中形成的元素。具體來說,太陽形成於大約50億年前的一塊自旋的氣體,這塊雲中包含著早期超新星爆炸的碎屑。雲中大量氣體經過引力坍塌形成了太陽,而其他少量的重元素形成繞日運動的行星。我們的地球就是這些行星中的一顆。

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