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3分钟了解138亿年宇宙简史

2020-02-12  星辰大海...

根据现代天文理论,宇宙已经诞生了约138.2亿年,但在宇宙诞生很久以后都没有天体形成,大约在数亿年后才有第一个天体的形成,宇宙在这个天体“真空”期到底干了啥呢?第一颗恒星在哪里?第一个星系在哪里?第一颗行星又在哪里?

3分钟了解138亿年宇宙简史:从大爆炸到地球

宇宙是怎么诞生的?真空期宇宙到底干了什么?

天文学家是从宇宙膨胀的现象反推出宇宙诞生于一次大爆炸的,勒梅特在上世纪根据爱因斯坦的广义相对论引力场公式计算出了宇宙会处在动态膨胀中,而哈勃的观测则证明这一点,因此最早期宇宙大爆炸论被勒梅特提了出来。

3分钟了解138亿年宇宙简史:从大爆炸到地球

后来伽莫夫根据大爆炸理提出了太初合成理论和他的同事拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼则提出了大爆炸的余晖宇宙微波背景辐射的预言!当然大家都知道了,随着射电望远镜的发展,太初合成理论和微波背景辐射都得到了验证,所以大爆炸理论开始被普遍就接受。

  • 宇宙是怎么诞生的?

大爆炸理论认为宇宙诞生于一个范围极小的区域,在138.2亿年前的某个时刻,这个区域发生了暴涨,这团暴涨的能量在急速的膨胀过程中温度渐渐降低,宇宙从一团能量中逐渐诞生出夸克和胶子,再从夸克胶子中诞生重子(质子和中子)物质,然后开始了最初核合成,氢和氦以及少量的锂元素就是那个时候诞生的,而此时,宇宙才刚刚过去了20分钟而已!

3分钟了解138亿年宇宙简史:从大爆炸到地球

  • “真空期”宇宙在干吗

温度继续下降,太初核合成阶段结束,宇宙中充满了高温的离子和电子,因为此时温度仍然很高,所以还要等宇宙继续膨胀,等到大约37.7万年后,宇宙膨胀的庞大体积已经让温度下降到了电子足够被离子捕获,首先形成的氦原子,再是氢原子和锂原子,此时宇宙中的物质以中性的原子为主导,光子得以从这团等离子物质中解脱出来,这个阶段被称为光子退耦。

3分钟了解138亿年宇宙简史:从大爆炸到地球

所以我们现在看到的宇宙微波背景辐射就是宇宙大爆炸时诞生的光,但被宇宙诞生的初期的等离子浓汤封印了37.7万年,它本来就是一团无比耀眼的光芒,但它已经被宇宙膨胀的高速拉扯成电磁波,所以你会发现一个丧气的结果,无论人类的射电和光学望远镜多么先进,永远都不可能突破微波背景辐射!

3分钟了解138亿年宇宙简史:从大爆炸到地球

三颗卫星的宇宙微波背景辐射

宇宙黑暗时期

从大爆炸的第一缕光以后,宇宙就进入了黑暗时期,因为此时没有任何天体,宇宙在继续膨胀,理论上均匀膨胀的宇宙并不会形成任何一个天体,但就在这差点不幸的宇宙中,出现了一点点的差异,就是这一点差异导致了膨胀过程中产生了物质分布不均匀,这就是未来恒星形成的种子!

第一个星系和第一颗行星

第一颗恒星来自于弥散在宇宙中的星云分布密度不均匀,金斯不稳定性的几种坍缩方式告诉我们,当分子云热压力不足以对抗引力时,就会在引力作用下发生坍缩,开启诞生恒星的第一步,出现巴克球状体。它可能分裂成一个或者多个坍缩区域,每一个坍缩区域都可能形成一颗恒星,可能会形成以下几种天体:红矮星、黄矮星、蓝矮星、蓝巨星,超巨星!

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斯皮策太空望远镜发现的三裂星云中的胚胎恒星

各个恒星有它的不同用处,红矮星的寿命超级久,高达数千亿至上万亿年,所以宇宙最初诞生的红矮星到现在仍然还没有度过它的童年!

黄矮星和蓝矮星则会形成白矮星和中子星,而白矮星吞噬伴星可能会形成Ia型超新星爆发,成为宇宙中用来测量距离的标准烛光,而中子星如果磁极与自转轴不一致的话则形成了脉冲星,变成宇宙中可以用来定位或者导航的灯塔。

3分钟了解138亿年宇宙简史:从大爆炸到地球

蓝巨星和超巨星未来的命运则是超新星爆发,当然蓝矮星也可能会达到超新星的标准,这个过程非常重要,因为未来的行星和除了氢氦锂三种元素外,宇宙中的所有元素都是恒星制造出来,并且由超新星爆发扩散到宇宙中(黄矮星也能形成行星状星云,不过效率太差,)

诞生行星

如果恒星质量足够,物质会从氢元素开始聚变到铁元素,但之后则无法再聚变,最终内核坍缩形成超新星爆发(各种超新星爆发机制并不一样),将从氢到铁以及早超新星爆发过程中快中子捕获形成的重元素统统扩散到了宇宙中。

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这个弥散的星云会在宇宙中扩散很久,一直到某天受到扰动又开始坍缩,再来一次恒星诞生过程,这次不一样了,因为存在了各种元素,因此在恒星坍缩的过程中,行星诞生机制开始起作用,诞生恒星的坍缩星云涡流中将诞生行星。

诞生星系

星系并不是一大片星云中诞生星系的,从银河系诞生理论中可以知道,星系是由一个巨大的引力中心比如黑洞引力逐渐俘获各个星团形成星系的,而且银河系到现在都还在吞噬人马座矮椭球星系,它已经被银河系的引力撕裂成了环绕银河系公转“指环”!

3分钟了解138亿年宇宙简史:从大爆炸到地球

黑洞从哪里来?两个来历,一个是宇宙大爆炸时诞生的原初黑洞,这是有诞生时高密度物质坍缩而成的,另一种则是大于20倍太阳质量恒星超新星爆发时诞生,但恒星型黑洞质量很难增加,即使黑洞合并也不能无限制增长,毕竟概率比较小!所以星系中心的黑洞很有可能来自宇宙诞生之初的原初黑洞。

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迄今为止发现的最遥远星系:第一个星系的优选对象

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已知最古老的系外行星:127亿年前

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第一代超贫金属红矮星 2MASS J18082002-5104378

很难那确定是不是第一个,但至少找到了一些典型的代表,验证下这些理论是否准确,比如第一代红矮星因为宇宙中都是氢元素,所以金属元素极少,那么当我们找到这样的恒星时,一来符合模型,二来表示它诞生的时间非常早,因为红矮星的质量导致它终身演化不出超过氦的元素。

地球算老几?未来还会有新的行星诞生吗?

地球是将近五十亿年前一颗恒星的超新星爆发后扩散的星云中形成的,这一片星云在某次临近的超新星爆发中受到扰动开始了坍缩,形成了太阳,在太阳这颗原恒星周围的吸积盘中诞生了各大行星,因此地球再古老都不会大于太阳的年龄,两者的物质理论上是同时诞生的,但地球诞生比太阳要稍晚一些,因为地球的形成符合吸积盘中涡流扰动坍缩形成行星的理论。

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ALMA亚毫米波射电望远镜阵列观测HL Tauri的尘埃连续谱图像

太阳系中未来不可能再诞生行星,因为小行星带质量即使全部加起来也只有1000千米直径左右的天体,而柯伊伯带也一样,太阳系诞生已经将奥尔特云的绝大部分物质收集,除了传说中太阳系中还有未被发现的第九大行星之外,太阳系中不会再诞生一颗新的行星!

3分钟了解138亿年宇宙简史:从大爆炸到地球

第九大行星在哪里?

宇宙中行星的诞生则是非常普遍的一件事,包括金牛座以及猎户座中,有大量正在诞生中的行星盘,在这些同心圆中任何一条暗环,都代表这一颗新的行星诞生,当然它们中哪一颗行星上存在生命,则是谁都不可能知道的,因为未来的一切都有可能。

3分钟了解138亿年宇宙简史:从大爆炸到地球

在距离地球约640光年的猎户座参宿四,这是一颗已经行将就木的古老恒星,内核的不稳定已经导致它光度变化范围超过2.5倍,这是一颗质量大约在太阳15~20倍的恒星,它的未来将会产生II型超新星爆发,若干年之后也许在它爆发后的残骸中,会诞生一个行星系,上面也许会有一颗宜居行星,诞生的文明也许会开始思考,他们究竟来自哪里,但很可惜无法告诉他们人类见证了他们诞生的过程。

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