宇宙之謎
宇宙之謎:從宇宙誕生說起!
一、宇宙的起源
1〉宇宙幾歲了?
20世紀以前,我們地球人還不知道這個答案。沒有人知道宇宙幾歲了。不僅如此,事實上,我們人類以前就幾乎沒有考慮過這個問題。我們曾經的常識是:宇宙有著無限的過去和無限的未來,而且,宇宙永遠都不會改變。直到有一天,美國物理學家George Gamow(出生於烏克蘭)告訴我們,宇宙是有年齡的。該理論的依據,就是美國著名天文學者哈佛發現的宇宙正在膨脹的現象---如果宇宙正在膨脹,那麼遠古時代的宇宙就應該比現在的宇宙要小!-----那麼,在更遠更遠的遠古時代,宇宙就是一個壓縮的很小很小的一個小點兒。那個點兒,就是宇宙的起源。
Gamow認為,宇宙起源於一個很小很小的點兒,那個點兒,可以想像成為一個超高密度,超高溫度的點兒。現在我們所知道的宇宙里的所有物質以及所有能量,原來都壓縮在這個點兒里。而一個超出我們絕大多數地球人想像的大爆炸,就是這個宇宙的起源-----這就是我們常常聽說的宇宙大爆炸了。
當Gamow對外公布了他的宇宙爆炸理論的時候,並沒有得到當時的科學界的認可,反而受到了很多人的嘲笑。但是,現在這個理論已經成為我們解釋宇宙的誕生,進化,以及發展的最標準的主流理論了。根據這個理論所提出的觀點,科學界推斷出,我們的宇宙大約是在137億年前誕生的。也就是說,我們的宇宙,已經137億歲了。
(大爆炸想像圖)
(宇宙誕生示意圖)
2〉組成宇宙的物質是如何產生的?
我們認為,大爆炸之初,宇宙從極其微小的一個小點兒急速膨脹到了一個超級巨大的空間,並且,僅僅用了很少很少的時間。它從原始的一個小點兒急速膨脹到直徑為1000萬光年的空間,僅僅用了1秒的1000兆分之1的1000兆分之1的1萬分之1的時間。即使用我們地球人常用的一瞬間也很難形容這段時間的。
宇宙誕生後的三分鐘內,構成宇宙所有我們可以認知的物質的元素也都被製造出來了。過程如下。
①100萬分之1秒之後,電子光子等基本粒子開始形成。基本粒子就是組成物質的最小的單位。
②1萬分之1秒之後,質子中子等開始出現。
③1秒鐘之後,由於質子和中子的結合,氫的原子核誕生了。
④3分鐘之後,從氫的原子核產生出了氦的原子核。而這個氫和氦,就是構成宇宙的所有物質的本源。
也就是說,在宇宙誕生後的3分鐘,構成宇宙世界的材料,就已經準備好了。
然後,從原子核到原子的過程,卻花了整整38萬年的時間!在這漫長的38萬年的時間裡,原子核以及電子和光子們,就這樣在宇宙間自由亂飛亂撞,所以,光線處於不能直線前進的狀態。
3〉剛剛誕生的宇宙是一個什麼狀態呢?
由於原子核等基本粒子處於一個自由亂飛亂撞的無序狀態,所以光線不能直線傳播,整個宇宙是一種不透明的混沌狀態
。呵呵,有沒有人覺得這個說法眼熟啊?----盤古開天地的故事----有人想起來了么?要不咱中國人總是喜歡誇耀自己的祖先呢,有時候覺得還真有點神奇!
宇宙大爆炸之後,隨著宇宙的膨脹,其溫度也在下降。在出現了質子和中子的1萬分之1秒時,宇宙的溫度是1兆度。在產生了氫的原子核的1秒鐘時宇宙的溫度就下降到了100億度。
38萬年之後,宇宙的溫度降至3000度,電子幾乎全部完成了跟原子核的結合,天空變得通透。宇宙晴朗了!
4〉現在的宇宙多少度了?
經過137億年的持續膨脹,宇宙的溫度已經降到很低很低了。但是,還會持續下降么?會不會無限止地下降呢?實際上,這是不可能的。為什麼呢?在回答這個問題之前,我們先學習一下關於溫度的基礎知識。
1〉首先,溫度是怎麼產生的?溫度,實際上就是構成物質的分子的運動能量,分子越是活動激烈,相互之間碰撞越多,溫度就越高。所以,當飛機飛到高空的時候,由於空氣稀薄,分子之間相互碰撞減少,溫度就會比地面上要低的多。
2〉溫度有下限。這是為什麼呢?那是因為在理想的真空狀態下,完全沒有物質(分子)存在的空間里,由於不存在分子之間的碰撞,所以也就不會產生溫度,這個狀態,我們稱之為絕對零度。用攝氏溫度來表述的話,絕對零度就是零下273.15度。
有人曾經預言:既然宇宙在誕生的時候是一個超高溫的世界,那麼,這些熱能就一定還存在。這個應該存在的餘熱被稱之為宇宙背景放射。反過來說,如果我們能夠找到這個應該存在的餘熱的話,那麼,就可以證實宇宙大爆炸理論的正確性了。
直到1989年,由美國航空航天局NASA發射的探測衛星COBE才首次觀測到宇宙背景放射,它的溫度是零下270.425度。比絕對零度高3度。
關於宇宙背景放射,由於COBE的精度有限,當時僅僅觀察到了宇宙的溫度不平均,有的地方略高,有的地方略低的現象。(見下圖)。
2001年,更高性能的觀測衛星WMAP被發射升空。它帶給了我們一個更加令人驚奇的結果----構成宇宙的物質以及能量的96%以上,我們居然一無所知。也就是說,宇宙的絕大部分,是由這種我們地球人無法認知的暗物質和暗能量組成。(見下圖)。
宇宙之謎:神奇的天體!
1〉從我們地球上可以觀測到的最遠的星系離我們有多遠?在大氣晴朗的夜晚,我們的頭頂上會出現無數的星星,它們都是137億年前誕生的宇宙在漫長的時間裡創造出來的。雖然居住在城市的我們,很少可以看到繁星滿天,但每次觀星後的感動,一直都會很久地在心中蕩漾。但是,這些讓我們心神蕩漾的星光,卻全部都是過去很久以前發射出來的哦。比如說,我們看到的人馬座@星,實際上是4.4年前的樣子,而著名的天狼星,實際上是8.6年前的樣子。(見下圖紅圈內)
不僅僅是夜空,實際上,照射到大地上的太陽的光芒,也是8分鐘前發射出來的。
我們所看到的一切來自宇宙的光芒,全部都是以前的,都是過去式。這說明什麼問題呢?這說明了宇宙實在是太廣大深邃了。
我們知道,這個世界上跑得最快的就是光了。在真空中的光速是每秒30萬公里,那麼,一個小時光可以傳播的距離就是10億8千萬公里。一光年的距離呢,就是9兆4千億公里了。
比如說,作為最明亮的恆星而著名的天狼星,距離我們地球8.6光年。如果你的孩子剛上小學一年級,你帶上他去看星星,他伸著手指頭,指著天上這顆最亮的恆星興奮地喊:看到星星啦!我看到星星啦!實際上,這時他看到的星光,是他出生前天狼星發出來的呢(見下圖)。
還有我們大家都很熟悉的北極星,距離我們地球居然有430光年之遙。
我們每次使用赤道儀的時候,都要用極軸望遠鏡對準北極星來校準天的北極,以便我們跟蹤並觀察天體。可是大家知道么?我們現在利用的北極星光,是中國明朝的時候發射出來的。
這麼遠?可能有的朋友會這麼驚嘆吧。實際上,相對於廣闊的宇宙來說,上面我們舉的天狼星以及北斗星的例子,都還是是我們地球的近鄰,因為宇宙實在是太大了。
那麼,我們在地球上可以觀測到了距離我們最遠的星系是誰呢?它是距離我們128.8億光年之遠的IOK-1。它是於2006年被日本生產的昴星望遠鏡所發現的。
這個星系是我們可以看到的距離我們最遠的星系,大約129億年前的樣子,也就是宇宙誕生8億年後的樣子。這是我們人類首次看到宇宙初期的樣子。
這些在悠久的時間長河裡流淌的星光,可能就是讓我們心神蕩漾的原因吧。
2〉正在膨脹中的宇宙內,星系是怎麼運動的?
美國的天文學家哈佛發現,越是距離我們地球越遠的星系,正在以越快的速度遠離我們地球而去。比如說,距離我們1億光年遠的星系正在以每秒2200公里的速度離開我們,而距離我們2億光年的星系,卻正在以每秒4400公里的速度遠離我們而去。
另外,星系的形狀,會使我們產生聯想,會讓我們認為星系也正在膨脹中。
但是,實際上星系沒有膨脹。這有點像烤葡萄麵包,麵包膨脹了,裡面葡萄的相互距離就會分開,但是葡萄本身的大小並沒有什麼變化。
另外,並不是所有的星系的相互距離都在拉大。事實上,有些星系的相互距離正在縮短。比如說,距離我們地球230萬光年的仙女座星系,就正在向我們的銀河靠攏,原因是我們的銀河系和仙女座星系在重力的作用下相互吸引造成的。也就是說,隨著宇宙的膨脹,很多星系間的距離正在加大,另外,還有一些星系卻在相互靠攏。因此,宇宙空間里並不是均勻地分布著星系,有星系密集的地區,也有比較稀疏的地區。在星系密布的空間,我們稱之為星系群,星系團,甚至還有超星系團這樣的稱呼。星系群:
星系團:
超星系團:
反過來,我們稱那些沒有星系的空間為----超空洞。
宇宙的這種既有密集的星系空間,又有超空洞的這種結構,就有點像肥皂的泡泡。泡泡的表面,就是星系們集中的地區,而泡泡的中心的空間,就是沒有星系的超空洞區域。
這種構造,被稱為宇宙網狀結構。
3〉星星們也有壽命么?
天上星星亮晶晶,很是美麗。他們的絕大多數,都是像太陽一樣的恆星,正在散發出巨大的光和熱。另外,他們都是有壽命的,有著從誕生到消亡的星生歷程。按照壽命的長短,他們分為兩種類型。一個是個體較小但是長壽型恆星,另一個是個體龐大但是短命型恆星。比如說,我們的太陽就屬於長壽型的,它的壽命大約100億年。恆星之所與能夠產生光和熱,是因為內部的氫正在發生核反應造成的。太陽把自己的氫耗盡所需的時間,大約是100億年。那麼,短命型的恆星是什麼樣子的呢?他們的體積一般要比太陽大10倍以上。由於體積龐大,內部的核反應程度會驟然加劇,氫的消耗量也要大得多。一般來說,這樣的恆星的壽命,也就幾千萬年而已。是太陽的數百甚至是1000分之1的壽命。所以說,決定恆星壽命的最重要的因素,就是他的質量。質量越小,它的壽命也就會越長。相信大家都聽說過佛教的輪迴之說吧?就是說人有生有死,人死後會投胎轉世。好人死後會投胎轉到好人家,下輩子就不會受苦了。壞人下輩子投胎就難說了,也可能變豬變雞被人吃,也可能變牛變馬做苦力,好一點的投胎到窮人家受苦。等等等等,不一而足。這些說法,願不願意相信,是大家的自由,就不在這裡討論了。這裡想說的是,這種說法,倒是跟恆星的轉世輪迴極為相似,讓人大跌眼鏡! 首先,即將壽終正寢的恆星,會變成什麼樣子呢?它的中心會開始收縮,而外部則開始膨脹。膨脹的結果呢?會產生兩種結果。①個體較小的恆星(比如說太陽)會變成紅巨星。②個體龐大的恆星(比如說比太陽大10倍的恆星)會變成超紅巨星。紅巨星會一邊慢慢放出氣體,一邊逐漸萎縮成很小的白矮星。而超紅巨星呢,由於釋放出的氣體多而會發生大爆炸-----也就是我們常聽說的超新星爆炸。這種爆炸的結果,會使得芯的部分變成黑洞或者中子星。到這裡,就是一個恆星的終結了。但是同時,也是它投胎轉世的開始。紅巨星以及超紅巨星向宇宙里釋放出的氣體,含有大量的氧,氮,碳,鐵等物質,這些都是組成一顆新的星體所必需的原料。說道這裡,我來跟大家解釋一下,為什麼我們把超紅巨星終結時的大爆炸稱作超新星爆炸呢?明明是終結了,卻稱之為新!這是因為在古代,我們人類就曾用肉眼觀看到了這種爆炸現象,在以前沒有星星的地方,看到了一個明亮的星點。在當時的地球人看來,似乎產生了一個新的星星,所以稱之為超新星。另外,這個現象,實際上也是一個新的星體產生的前期準備階段,從這個意義上來說,稱之為超新星在某種意義上也是可以說的通的。我們來看看距離我們地球8000光年的一個即將開始超新星爆炸的NGC3372的Eta Carina星,這個星體的質量是太陽的數十倍,19世紀就已經記錄到了它的光度變化,考慮到8000萬光年的距離,可以認為它已經成一個黑洞了。
順便看看爆炸殘骸是什麼樣子的。下面是金牛座的角前附近的蟹狀星雲。這個星體距離我們地球7200光年,大約在1054年被觀測到的超新星爆炸。照片就是爆炸後的殘骸。
4〉星星是怎樣誕生的?
組成新的星體的原料,就是壽命終結後的星體向宇宙中釋放出的元素(氧,氮,碳,鐵等等)。這些元素在巨大的引力的作用下匯聚到一起,形成一種類似雲狀的形式,我們稱之為星雲。星雲形成的過程中,由於匯聚了大量的元素,在引力的作用下會吸引更多的元素彙集,這樣就會在星雲的內部產生熱能,當中心溫度超過100萬度的時候,就會引發核反應,不久就會生成恆星。越是體積龐大的星雲,就越會產生出更多的恆星,甚至星團,散發出光和熱,照耀宇宙。我們來舉幾個有名的例子吧。喜歡天文攝影的朋友肯定都知道馬頭星雲。
那是因為它的形狀非常像一匹馬的頭。 還有著名的M78星雲。
當然了,要說最最著名的,還是獵戶座大星雲了。
大量的恆星,就在這樣的星雲的內部,已經或者正在被製造出來。每當我們抬頭仰望星空,看到那些星雲,想像著在那些個超級巨大的(直徑約數十光年)星雲媽媽的肚皮里,一顆顆太陽以及太陽的密集團塊正在產生,那是何等壯觀的奇景啊!
5〉令人瞠目結舌的大塊頭!
我們知道了超新星爆炸會產生出星間雲,而星雲會孕育出恆星。而這些恆星中,有的尺寸會大到讓我們地球人瞠目結舌。太陽的直徑是140萬公里(大約是地球直徑的109倍),是宇宙中極其普通的一個恆星。而位於獵戶座左肩的參宿四(見下圖內紅圈)就要比太陽大的多了。
這個已經進入超紅巨星的星體,正在準備迎接超新星爆炸的到來。它的直徑大約是太陽的800倍。 說到大塊頭,我們來看看天仙王座的石榴石星,它的直徑是太陽的1400倍。(在腦後以及右手之間)。
而跟大犬座的天狼星相比,就會覺得上面幾個都是小弟弟了。
它的直徑是太陽的2100倍!
除了天體的個頭大小讓我們地球人瞠目結舌,還有天體的溫度,也遠超出了我們地球人的想像。船尾座的naosu星,其表面溫度高達4萬2千度以上,是太陽的7倍。
只是它距離我們地球大約1500光年,所以烤不糊我們,大家不要慌。呵呵! 類似這樣的讓我們地球人目瞪口呆的天體,在我們可以觀看到的範圍內還有很多很多...... 6〉星系是怎麼誕生的?
跟我們自己所處的銀河系一樣,宇宙里還有無數的這樣的星系,這些星系是怎麼誕生出來的呢?之前,有很多種假設和推論,但是根據最近對宇宙觀測的結果,最令人信服的理論應該是Bottom Up學說-------首先,星星們由於相互引力的作用而慢慢聚集到一起,形成星團,然後星團們相互吸引聚集,形成了規模比較小的星系。然後,小星系們相互衝突,合體,而成比較大的星系,然後,再相互吸引彙集,衝撞合體,再形成更大的星系.......這就是Bottom Up理論。之前,還曾經出現過所謂的Top Down理論,也就是跟Bottom Up理論剛好相反的推論-------巨大的星間雲分裂後形成了很多星系。但是,最近的宇宙觀測的結果,明顯支持了Bottom Up理論。最初形成的星系在135億年以前,而星系內部存在大量的星團(疏散星團和球狀星團)。比如說在我們自己的銀河系內,就有超過1000個的星團被發現了。另外,我們還觀測到了星系們正在接近,衝撞,合體等等現象,這些都間接支持了Bottom Up理論的正確性。疏散星團(見下圖)。
球狀星團(見下圖)。
在這裡我要說的是,目前這些理論還在求證當中,還沒有證據表明這個Bottom Up理論就一定是(或者說是唯一的)正確的理論,對於宇宙的觀察還在一直進行中!
7〉如果星系相互衝撞了,星星們會怎麼樣?
距離我們銀河230萬光年的仙女座星系,現在正在以每秒134公里的速度向我們逼近!然後,最終我們會遇到下面的場景。
吧唧!撞在一塊兒了。
有人可能會笑,可能么?那麼就看看下面的照片吧。
那怎麼辦?那麼到時候會不會有大量的巨大隕石和恆星衝撞我們的地球么?那不是太可怕了? 實際上,這樣的擔心是沒有必要的。星系發生衝撞後,會產生什麼後果呢?首先,由於受到沖產生的壓力和引力的改變和增大,星系內部的各種氣體,灰塵等元素受到壓縮,星間雲內部溫度提高,會產生出更多的星體。而星體和星體之間發生衝撞的幾率卻是非常的低。那是因為星體之間的距離實際上是非常遙遠的(相對於星體的個頭而言)。發生衝撞後的星系,是一個1加1大於2的結果,因為衝撞會增加或者說加快恆星的誕生。如果上面的解釋還是不能讓你安心,還是覺得衝撞太危險了。對於這樣的朋友,我有一個腦筋急轉彎問題,可以解除你的煩惱。如下。問:青春痘長在什麼部位不讓你擔心?答:長在別人臉上不讓我擔心。呵呵,那個正在以每秒135公里急速向我們的銀河系撲來的仙女座大星系,估計需要30億年才可以碰到銀河哦。 我們來看看正在發生衝撞的IC2163和NGC2207,這兩個星系合併成一個星系,估計也還需要數十億年的時間。
8〉星系的形狀
通過對宇宙的觀察,我們總結了宇宙中常見的星系的形狀。它們一共有4種,分別是。渦卷星系(見下圖)。
棒狀渦卷星系(見下圖)。
橢圓星系(見下圖)。
不規則星系(見下圖)。
所謂渦卷星系,有一個膨脹隆起的中心部分,這裡聚集了很多的星體。然後,沿著中心部分向外展開出很多條胳膊,然後,這些胳膊彎曲盤起形成一個圓盤狀。棒狀渦卷星系在本質上跟渦卷星系是一樣的,唯一不同的是中心部分,它的中心部分呈現一個棒狀。橢圓星系沒有很明顯隆起的中心,另外中心和周邊也沒有明顯的分屆,狀態比較安定。被認為是由很多老齡星體組成的。不規則星系很好分辨,外形不規則。被認為內部正在大量產生新的星體。
9〉宇宙裡面大概有多少顆星星?
要想著到宇宙里有多少顆星星的話,估計只有去問上帝他老人家了。要想讓地球人回答這個問題實在有點兒困難。但是,按照我們地球人目前掌握的技術來推算出宇宙里大概有多少顆星星(恆星)的話,還是可能的。
下面這張照片,是哈勃望遠鏡拍下的。
在這張照片上一共有1萬個星系。我們以此為基準進行推算。這張拍下了1萬個星系的照片,所拍攝的範圍是宇宙的大約1500萬分之1,這樣我們可以推算出宇宙里大約有1500億個星系。以我們的銀河係為例,它大約擁有1000億個星體,那麼,宇宙全體的星星的數量,就大約是1500億乘上1000億,用一般的計算器是無法顯示的,這個數字太長了,答案是:150垓個!可能還有很多朋友對垓這個單位還不熟悉。如下。個,十,百,千,萬,然後就是億,兆,京,再然後,就是垓了。另外補充如下。①這裡的數字,僅僅是恆星的數字,行星並不包含在內。②這150垓個恆星,在地球上我們用肉眼看的話,最多也就能看到大約5600個。
1〉太陽系在銀河系的什麼位置? 我們的家園----地球,是屬於太陽系裡的天體,那麼,太陽系的位置呢?它在銀河系裡什麼地方呢? 我們知道,銀河系是一個中心膨脹鼓起來的圓盤狀,直徑大約10萬光年,而太陽系就在距離銀河系中心2萬8千光年的地方。(見下圖)
在宇宙中,那些氣體和塵粒特別集中的領域,被稱為星雲。前面已經論述過了的,星雲是產生新的星體的場所。而太陽系也是由星雲產生的。 大約46億年前,在宇宙某個角落的星雲的內部,氣體以及塵粒們在自身重力的作用下,一邊旋轉一邊向中心彙集了。那個中心,就是太陽系的核,原始的太陽就在這裡誕生。而在它周圍迴轉的氣體等,在迴轉的離心力的作用下,慢慢變得扁平,這就是原始太陽系圓盤。 這個圓盤主要是由氫和氦組成,只有大約1%的成分是塵粒。這些塵粒,在引力的作用下經過反覆的相互碰撞,合體,而成為比較大的一點兒的團塊,直徑大約10公里吧。被稱為是最雛形的行星。或者叫行星寶寶也行。 在原始太陽系圓盤裡,這些數量龐大的行星寶寶們,經過數千萬年的相互碰撞,合體,最後形成了太陽系裡現在的行星,小行星以及矮行星,衛星等等。 另外,圓盤裡的氣體團塊,也逐漸聚集,剩下的就成為了那些固體行星的組成部分了。慢慢的,經過了數億年的時間,太陽系的空間開始晴朗,氣體的團塊也聚集並且安定下來,大型的衝撞現象也漸漸消失了。 這樣,由佔據整個太陽系質量的99.9%的太陽和剩下的0.1%質量的行星們,共同築成了太陽系。 3〉行星的公轉方向為什麼都一樣? 我們知道,太陽系裡的8大行星,幾乎都在同樣一個平面上(雖然小小有些傾斜),按照相同的反時針方向,環繞太陽進行公轉。這是為什麼呢?實際上,明白了上面所解釋的太陽系誕生的過程,就不難理解這種現象了。 原始的太陽成形之後,在其強大的引力的作用下,在原始太陽周圍的塵粒以及氣體開始聚集。它們最初並沒有按照相同的方向旋轉,其運動是散亂無規則的,後來在長時間的反覆的相互衝撞,合體,相互抵消運動的動能。這種現象反反覆復的最後,就形成了現在的太陽系全體向著同一個方向公轉的樣子了。 水星的軌道大概傾斜了7度,其他幾個行星的軌道大都在3度的範圍內。超出了這個範圍的星體,變化就大了。冥王星的軌道傾斜了大約17度,Ellis大約傾斜了44度,彗星就更離譜了,哈雷彗星不但軌道跟太陽系平面大大傾斜,居然還是順時針公轉的。
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