大爆炸宇宙学

    大爆炸宇宙学是现代宇宙学中最有影响的一种学说,与其它宇宙模型相比,它能说明较多的观测事实。宇宙大爆炸的设想图

    大爆炸宇宙学认为宇宙曾有过一段从热到冷的演化史,在这个时期里,宇宙体系并不是静止的,而是在不断地膨胀,使物质密度从密到稀地演化。这一从热到冷、从密到稀的过程就如同一次规模巨大的爆发。

    根据大爆炸宇宙学的观点,大爆炸的整个过程是:在宇宙的早期,温度极高,在100亿度以上。物质密度也相当大,整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。

    但是因为整个体系在不断膨胀,结果温度很快下降。当温度降到10亿度左右时,中子开始失去自由存在的条件,它要么发生衰变,要么与质子结合成重氢、氦等元素;化学元素就是从这一时期开始形成的。

    当温度进一步下降到 100万度后,早期形成化学元素的过程结束。宇宙问的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度降到几千度时,辐射减退,宇宙间主要是气态物质,气体逐渐凝聚成气云,再进一步形成各种各样的恒星体系,成为我们今天看到的宇宙。

    大爆炸理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的,因而任何天体的年龄都应比自温度下降至今天这一段时间为短,即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。

    现代天文学的观测表明,河外天体有系统性的谱线红移,而且红移与距离大体成正比。如果用多普勒效应来解释,那么红移就是宇宙膨胀的反映。

  如果宇宙是膨胀的,那么,昨天的宇宙应该比今天的宇宙更小,物质也更密集一些。所以、在宇宙的早期,可能是一种非常密集的状态。那时候物质密度非常之高,完全不同于我们今天看到的星空世界。

  沿着这条线索来研究宇宙中物性的演化历史,称为大爆炸宇宙学。目前比较盛行的是热大爆炸宇宙学。

  这一派的主要观点是,我们的宇宙曾有过一段从密到稀,从热到冷的演化历史。具体地说,大约在一百多亿年前,开始发生大爆炸过程。当时,宇宙间物质密度比原子核的密度还要大,温度也极高,达到万亿度以上。爆炸初期宇宙间的物质形式是各种各样的粒子,例如中子,质子,电子,光子,中微子,μ子,π介子,超子等等。这些粒子不断地碰撞,并相互转化。整个宇宙基本上处于热力学平衡之中。例如,电子与正电子互相碰撞湮灭成一对γ光子,同样γ光子相互作用而产生一对电子和正电子。这些过程在一秒钟内可能发生几十亿亿次,但每一种反应都与相反的反应达到平衡。这是我们宇宙的极早期。

  这个极早期是非常短暂的,也许不到一分钟。由于整个体系在不断地膨胀,温度迅速下降,宇宙演化进入了下一阶段。在这个阶段中,中子开始失去自由存在的条件,中子要么发生衰变,要么它与质子结合成重氢、氦等元素。宇宙中的化学元素就是在这一时期才开始形成的。这一阶段的时间大约是30分钟,温度在一亿度左右。

在高温阶段的几十万年的时间里,宇宙中的热辐射是十分强的。热辐射和其它粒子处于平衡状态。过了这个阶段之后,物质密度降低,特别是湿度降低到了几千度以下时,热辐射与其它粒子的作用才大大降低,热辐射大体不再受物质的影响,可以自由地传播。这种自由的热辐射,随着宇宙膨胀温度也逐渐降低。但是,还保持着原来的热辐射的特点。

热辐射与其它物质间的相互作用减弱之后,到现在,大约已有一百多亿年了。在宇宙的演化史中,这个阶段最长,在这个阶段开始时,宇宙中主要是气状物质。以后逐渐发展出星云,再进一步收缩成星系,星团,恒星,行星……直到形成我们今天看到的星空世界。

  下面的图表示热大爆炸宇宙学所描述的宇宙的几个主要演化阶段。

 

星系图

科学家称银河星系是宇宙大爆炸的一个成员,图中MS1512-cB58银河星系(箭头所指)可能就被汤团状物质所环绕。

科学家在进行超级计算机模似试验后得出结论:宇宙大爆炸后形成的首颗恒星比太阳大100倍。上面的图片展示了这颗理论恒星的密度。

参考影视:宇宙在大爆炸中诞生    大爆炸后银河系的诞生