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宇宙的诞生——大爆炸及后续问题
发布时间:2019-07-07
 

大爆炸

宇航员们通过结合数学模型和观测结果而得出的有关宇宙诞生的可行理论。大爆炸理论的数学基础包括阿尔伯特-爱因斯坦的广义相对论以及基本粒子的标准理论。直到今天,包括哈勃空间望远镜和史匹哲太空望远镜在内的NASA空间望远镜依旧在测量宇宙的扩张。长期以来的一个目标是对宇宙是否会永远扩张,或者它是否会在某一天停止扩张并转而收缩,直到在“大挤压”中崩溃这个疑问得出确切的结论。


宇宙的诞生——大爆炸及后续问题


背景辐射

根据物理学理论,如果在大爆炸后的一秒钟内看向宇宙,我们会看到一个温度高达100亿度的,含有中子,质子,电子,反电子(正电子),光子和中微子的海洋。随着时间的推移,我们会看到宇宙冷却,中子会衰变成质子和电子,或者与质子结合形成氘(氢的同位素)。随着宇宙继续冷却,它最终将会降低到能让电子与原子核结合形成中性原子的温度。在发生这种“重组”之前,宇宙因为光(光子)撞击自由电子导致的的散射而变得不透明,就像太阳光被云中的水滴散射那样。但是当自由电子被原子核吸引形成中性原子时,宇宙突然变得透明。被称为宇宙背景辐射的大爆炸余辉——那些相同的光子,已经可以被今天的我们观测到了。


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任务研究:宇宙背景辐射

美国宇航局(NASA)提出了两项研究宇宙背景辐射的任务——为诞生仅40万年的宇宙拍摄“婴儿照”。第一项任务的执行者是宇宙背景探测器(COBE)。在1992年,COBE团队就宣布他们绘制了宇宙背景辐射中的原始热点和原始冷点。这些点与早期宇宙中的引力场有关,并且形成了如今在宇宙中延伸数亿光年的巨型星系团的种子。这项工作让NASA的John C. Mather博士和加州大学的George F. Smoot获得了2006年诺贝尔物理学奖。


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第二项任务的执行者是威尔金森微波各向异性探测器(WMAP),它负责检测宇宙背景辐射。与COBE相比,WMAP的分辨率大大提高,它探测了整片天空,测量了几乎均匀分布在宇宙各处微波辐射的温差。下张图片是一副红色为较热区、蓝色为较冷区的天空地图。将这些证据与宇宙的理论模型相结合,科学家们得出结论:宇宙是“平坦的”,这意味着在宇宙学尺度上,空间几何满足欧几里得几何规则(例如:平行线永不相遇,圆周长与直径之比为π等)。


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另外的第三个任务是由欧洲航天局牵头,美国宇航局大量参与的普朗克望远镜计划,于2009年启动。普朗克望远镜正在制作最准确的微波背景辐射图。此仪器对于百分之几度的温度变化很敏感,并将整个天空映射到9个波段,它可以测量CMB(即宇宙微波背景辐射)温度的波动,这种温度波动的精度由基本的天体物理极限设定。


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宇宙的“婴儿照”。 WMAP的微波背景辐射温度图显示了在3K背景中辐射温度(微小程度)的微小变化。 热点显示为红色,冷点为深蓝色。

宇宙暴胀

原始的COBE结果和持有更高分辨率的WMAP数据分析发现了一个问题:宇宙太均匀了。之前从未相互接触过的宇宙碎片如何能在相同的温度下达到平衡?但如果在大爆炸之后的一段非常短的时间内宇宙经历了一场名为“暴涨”的难以置信的扩张,那么这个问题和其他宇宙学问题就都可以得到解决。为了实现这种膨胀,大爆炸时的宇宙必然充满了一种不稳定的能量形式,但其性质尚不清楚。但无论其性质究竟如何,暴涨模型预测:宇宙在极小的时候产生了一种量子噪声,这种原始能量在空间中会不均匀分布。这种模式将转移到宇宙的问题上,并将在重新“组合”时开始自由流动的光子中得到展示。因此,我们期望并且确实在宇宙的COBE和WMAP图片中看到了这种模式。


宇宙的诞生——大爆炸及后续问题


宇宙的历史。根据推测,大爆炸刚发生后的超光速暴胀过程产生了引力波。

但所有这些假设都没有解决膨胀的问题。回答这个问题的其中一个困难之处是:在“重组”之前,宇宙就已经膨胀了很长时间。所以宇宙在“重组”之前的不透明实际上是由更早期的某些有趣事件造成的。幸运的是,有一种根本不涉及光子的宇宙观测法。唯一一种可以从大爆炸瞬间传递给我们的已知形式的信息——引力波,携带着我们无法通过其他方式获得的信息。NASA和ESA正在考虑几项任务,以寻找暴涨时代的引力波。

暗能量

在哈勃望远镜和COBE投入使用之后的几年里,大爆炸的画面逐渐变得清晰起来。但在1996年,对非常遥远的超新星的观测仍要靠图片中引人注意的变化。人们一直认为,宇宙的物质会减缓其自身的扩张速度。质量产生引力,引力产生拉力,拉力必定减缓膨胀。但是对超新星的观测表明,宇宙的扩张正在加速,而不是放慢速度。有些不像物质,又不像普通能量的东西,正在推动星系分开。这个“东西”被称为暗能量,但只凭取一个名字是无法理解它的。至于暗能量是否是一种迄今为止物理学未知的流体动力,或者它是否是真空空间的属性,或者它是否是对广义相对论的某种修改,至今仍不得而知。


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相关知识

在物理宇宙学中,暗能量是一种充溢空间的、增加宇宙膨胀速度的难以察觉的能量形式。暗能量假说是当今对宇宙加速膨胀的观测结果的解释中最为流行的一种。在宇宙标准模型中,暗能量占据宇宙68.3%的质能。 暗能量现有两种模型:宇宙学常数和标量场。对宇宙有恒定影响的标量场常被包含在宇宙常数中。宇宙常数在物理上等价于真空能量。

宇宙微波背景是宇宙学中“大爆炸”遗留下来的热辐射。在早期的文献中,“宇宙微波背景”称为“宇宙微波背景辐射”或“遗留辐射”,是一种充满整个宇宙的电磁辐射。特征和绝对温标2.725K的黑体辐射相同。频率属于微波范围。宇宙微波背景是宇宙背景辐射之一,为观测宇宙学的基础,因其为宇宙中最古老的光,可追溯至再复合时期。

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