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我们不断膨胀的宇宙:年龄、历史和其他事实

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查看17011 | 回复0 | 2022-1-23 20:36:52 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 DANNY 于 2022-1-23 20:44 编辑

我们正在膨胀的宇宙的演变和内容



宇宙诞生于大爆炸,是一个难以想象的炽热密集点。当宇宙的年龄只有 10 -34秒左右时——也就是,十亿分之一万亿分之一秒的年龄——它经历了一次令人难以置信的膨胀爆发,称为暴胀,其中空间本身膨胀的速度超过了光速。在此期间,宇宙的大小至少翻了 90 倍,几乎是瞬间从亚原子大小变为高尔夫球大小。

理解膨胀宇宙的工作来自理论物理学和天文学家直接观察的结合。然而,在某些情况下,天文学家无法看到直接证据——例如与宇宙微波背景相关的引力波、大爆炸的剩余辐射。在天文学家发现探测到的信号可以用银河系中的尘埃解释后,有关在 2014 年发现这些波的初步声明很快被撤回。

根据美国国家航空航天局的说法,在暴胀之后,宇宙继续增长,但速度较慢。随着空间的膨胀,宇宙冷却,物质形成。大爆炸后一秒钟,宇宙充满了中子、质子、电子、反电子、光子和中微子。

在宇宙诞生的前三分钟,轻元素在被称为大爆炸核合成的过程中诞生。温度从 100 十亿 (10 32 ) 开尔文冷却到 10 亿 (10 9 ) 开尔文,质子和中子碰撞产生氘,氢的同位素。大部分氘结合生成氦,还生成了微量的锂。

这位艺术家对大爆炸的印象展示了物质形成的星系。 (图片来源:盖蒂)



根据法国国家空间研究中心(Centre National d'Etudes Spatiales,或 CNES)的数据,在最初的 38 万年左右,宇宙基本上太热而无法发光。创造的热量以足够的力量将原子粉碎在一起,将它们分解成稠密的等离子体,这是一种质子、中子和电子的不透明汤,像雾一样散射光。

据美国宇航局称,在大爆炸后大约 38 万年,物质冷却到足以在重组时代形成原子,从而产生一种透明的电中性气体。这释放了大爆炸期间产生的最初闪光,今天可以作为宇宙微波背景辐射检测到。然而,在这一点之后,宇宙陷入了黑暗,因为还没有形成星星或任何其他明亮的物体。

大爆炸后约 4 亿年,宇宙开始从再电离时代的宇宙黑暗时代中出现。在这段持续了超过 5 亿年的时间里,气体团块坍缩到足以形成第一批恒星和星系,其高能紫外线电离并破坏了大部分中性氢。

尽管随着宇宙中的物质通过引力而自行拉动,宇宙的膨胀逐渐减慢,但据美国宇航局称,在大爆炸后大约 5 或 60 亿年,一种现在称为暗能量的神秘力量开始加速宇宙的膨胀。宇宙再次出现,这种现象一直持续到今天。

大爆炸后 90 亿年后,我们的太阳系诞生了。
大爆炸



球状星团 NGC 6397 包含约 400,000 颗恒星,位于约 7,200 光年外的南天阿拉星座。估计年龄为 135 亿年,它很可能是大爆炸后形成的第一批银河系天体之一。(图片来源:NASA / Francesco Ferraro / Bologna Observatory)

尽管人们可能从它的名字中推断出,大爆炸并不是以人们通常认为的方式发生的爆炸。根据美国宇航局的说法,宇宙没有膨胀到太空中,因为在宇宙之前太空并不存在。相反,最好把大爆炸想象成宇宙各处同时出现的空间。自大爆炸以来,宇宙没有从任何一个地方膨胀——相反,空间本身一直在伸展,并携带着物质。

由于根据其定义,宇宙包含了我们所知道的所有空间和时间,美国宇航局表示,说宇宙正在膨胀成什么或什么导致了大爆炸,超出了大爆炸的模型。尽管有一些模型对这些问题进行了推测,但目前还没有一个模型做出可实际检验的预测。

2014 年,哈佛-史密森天体物理中心的科学家宣布,他们在宇宙微波背景中发现了一个微弱的信号,这可能是引力波的第一个直接证据,引力波本身被认为是宇宙大爆炸的“确凿证据”。这一发现引起了激烈的争论,当天文学家意识到银河系中的尘埃可以解释他们的发现时,他们很快收回了他们的结果。

宇宙的年龄是多少?



婴儿宇宙

这张全天图像显示了婴儿宇宙。它揭示了 137 亿年前的温度波动。(图片来源:美国国家航空航天局)
目前估计宇宙大约有138 亿年的历史,大约有 1.3 亿年。相比之下,太阳系只有大约 46 亿年的历史。

这一估计来自测量宇宙中物质的组成和能量密度。这使研究人员能够计算过去宇宙膨胀的速度。有了这些知识,他们就可以让时间倒流并推断大爆炸何时发生。从那时到现在的时间是宇宙的年龄。

它的结构如何?
科学家们认为,在宇宙的最初时刻,它没有可言的结构,物质和能量几乎均匀地分布在各处。根据美国国家航空航天局的说法,当时物质密度的微小波动的引力导致了今天看到的巨大的星网状结构和空虚。致密区域通过引力吸入越来越多的物质,它们变得越大,它们通过引力吸入的物质就越多,形成恒星、星系和更大的结构,称为星团、超星团、细丝和墙壁,具有“长城”数千个超过十亿光年的星系长度。密度较低的区域没有增长,演变成看似空旷的空间区域,称为空隙。

宇宙的内容



暗物质毛发

当暗物质粒子穿过行星时,会形成称为毛发的暗物质细丝。 (图片来源:NASA/JPL-Caltech)
根据美国宇航局的说法,直到几十年前,天文学家还认为宇宙几乎完全由普通原子或“重子物质”组成。然而,最近有越来越多的证据表明构成宇宙的大部分成分都以我们看不到的形式出现。

事实证明,原子仅占宇宙的 4.6%。其余的 23% 由暗物质组成,可能由一种或多种与普通物质相互作用非常弱的亚原子粒子组成,72% 由暗能量组成,这显然是推动宇宙加速膨胀的原因。宇宙。

据美国宇航局称,当谈到我们熟悉的原子时,氢约占 75%,而氦约占 25%,较重的元素仅占宇宙原子的一小部分。

它是什么形状?



宇宙的形状以及它的范围是有限的还是无限的,取决于它的膨胀率和引力之间的斗争。所讨论的拉力的强度部分取决于宇宙中物质的密度。

如果宇宙的密度超过一个特定的临界值,那么宇宙就像一个球体的表面一样是“封闭的”和“正弯曲的”。这意味着如果宇宙持续时间足够长,最初平行的光束将缓慢会聚,最终交叉并返回起点。如果是这样,根据美国国家航空航天局的说法,宇宙不是无限的,也没有结束,就像球体表面的面积不是无限的,但没有开始或结束可言。宇宙最终将停止膨胀并开始向自身坍缩,即所谓的“大紧缩”。

如果宇宙的密度小于这个临界密度,那么空间的几何形状就像马鞍的表面一样“开放”和“负弯曲”。如果是这样,宇宙就没有边界,而且会永远膨胀。

根据美国宇航局的说法,如果宇宙的密度恰好等于临界密度,那么宇宙的几何形状就像一张纸一样“平坦”,曲率为零。如果是这样,宇宙没有界限,会永远膨胀,但膨胀率会在无限长的时间后逐渐接近零。据美国宇航局称,最近的测量表明,宇宙是平坦的,只有 0.4% 的误差范围。

宇宙总体上可能具有更复杂的形状,同时似乎具有不同的曲率。例如,宇宙可能具有圆环或甜甜圈的形状。

扩展宇宙
1920 年代,天文学家埃德温·哈勃发现宇宙不是静止的。相反,它正在扩大。一项揭示宇宙显然是在大爆炸中诞生的发现。

在那之后,人们一直认为宇宙中物质的引力一定会减缓宇宙的膨胀。然后,在 1998 年,哈勃太空望远镜对非常遥远的超新星的观测表明,很久以前,宇宙的膨胀速度比现在慢。换句话说,宇宙的膨胀并没有因为引力而变慢,而是莫名其妙地在加速。推动这种加速膨胀的未知力量的名称是暗能量,它仍然是科学中最大的谜团之一。

其他资源
想亲自探索宇宙吗?您可以使用 NASA 的哈勃星空图虚拟漫游银河系的恒星和星系。此外,您可以在 Live Science 的这篇文章中阅读关于宇宙的 10 个狂野理论。


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