宇宙的起源与演化

宇宙的起源与演化

2015-12-17 19:04:52  微科普
本文作者:佚名

2015-12-17 19:04:52
作者:佚名
来源:微科普
字号:A+  A-

 

   几乎各民族都有古老的关于宇宙万物起源和产生的神话。在我国就有盘古氏开天辟地的神话,封建社会的蒙学读本《幼学琼林》一开始就说:“混沌初开,乾坤始奠,气之轻清上升者为天,气之重浊下凝者为地。”这些都是关于宇宙起源的朴素观点。

   正如上面所介绍的,人类对宇宙的认识不断拓宽,从肉眼到光学望远镜,从光学望远镜到射电望远镜,由于地球大气的阻碍,我们在地球上还是不可能收到全方位的信息。到了宇航已成为现实的时代,人们理所当然的把望远镜搬到地球之外,这就是世界上最新的望远镜——哈勃望远镜。这是1990年4月24日送到离地球613公里轨道上的最先进的望远镜。从而摘掉了地球大气层这个遮眼罩。

   根据现在的观测和理论,认为我们所在的宇宙起源于约150亿年前的一次大爆炸。在那时也可以说是混沌初开。而这大爆炸的起点的状态是当今天文学、物理学研究的热点。现代科学家认为在最原始状态下电磁作用、弱相互作用、重力作用都是统一的,在大爆炸的一瞬间开始,重力场、电磁场相继独立出来,此后才由原物质形成质子和中子,随着宇宙物质的进一步演变生成现有的原子核和原子。我们的银河系大约在100亿年前形成。关于以后宇宙物质的演化,下面我们将较详细地介绍。

    现在我们已经知道我们的宇宙是一个阶梯式的宇宙,恒星组成星系,一些星系组成星系团,各星系团又组成我们观测到的宇宙——总星系。这种阶梯式的宇宙曾经解决了前面提出的奥伯斯的光度佯谬。而如今膨胀的大爆炸宇宙模型更好地解释了天空为什么是黑的。而奥伯斯问题的提出是建立在均匀的恒稳态的宇宙模型上的,这与实际观测的结果不符。

   现在的问题是在大爆炸前宇宙是什么形态,如果在大爆炸的那一瞬间把时间作为0的话,那负时间宇宙会处于什么状态?再就是我们所处的宇宙膨胀有没有尽头。这就有两种模型,一是无限膨胀,终于完全散开了去;一是膨胀到了极限又会收缩,也许会又缩回到原始的致密状态。这一切还有待天文学家们进一步观察研究。

    宇宙是有限还是无限的呢?是无限的。我们目前用哈勃望远镜已经观测到120亿光年远的天体!但这只是我们目前认识的前缘,并不是宇宙的极限。在我们的宇宙体系外肯定还有别的宇宙体系。正像古代哲学家说的:宇宙是大小相含,无穷无尽,宇宙之外还会有更大的体系。只是目前我们的认识暂时还难以达到而已。

大爆炸

  现代宇宙学认为:原始宇宙是完全由中子组成的非常炽热、非常稠密的大火球。后来,宇宙开始膨胀并变冷,这时中子蜕变为质子和电子。这种由中子、质子和电子组成的原始物质名叫“太素”(Yelm)。

   当原始宇宙温度下降到109~1010K时,原始物质开始结合成氖和氦(当然绝大部分还是氢),这是原始的星际物质。根据B2FH理论,原始的星际物质靠引力收缩形成一些团块——原始恒星,同时内部温度逐渐升高,当恒星内部温度升到7×106K以上时,氢的核聚变开始,核反应的辐射膨胀与恒星的引力收缩相抵制,恒星发光并进人相对稳定状态,这时恒星内部的核聚变有质子-质子循环和碳-氮循环两种。这是恒星氢燃烧阶段,一般可稳定进行100万~100亿年。我们的太阳已进行了约46亿年,估计还将继续50亿年。这一阶段在恒星核心生成氦,同时还有一些碳、氮、氧等元素的形成。

   当恒星核心的氢全部转为氦(约占恒星总质量10%~15%)时核反应停止,引力收缩占优势,结果使核心温度上升,恒星外壳膨胀,变成红巨星。当核心温度升高到108K,密度也骤增,开始了新的核反应——氦燃烧。这时恒星变成脉动变星(这类恒星有规律的膨胀和收缩像脉搏一样)。氦燃烧主要是三个氦原子核结合成碳核的聚变反应,然后再生成氧。

   如果恒星足够大,那么还将继续收缩升温,发生碳和氧燃烧(聚变)过程,生成硅、钙等元素。更进一步则是硅燃烧(又名α过程),其核反应机理是硅核光解生成高能α粒子,α粒子又与别的核结合生成铁族元素。当恒星演化到这个阶段,核心的温度可以增高到4×109K,这就使核达到统计平均状态,生成元素周期表上铁附近的多种元素。这个过程是e过程(平衡过程),结果是生成铁质核心。到这时,恒星就进人风烛残年了。

据B2FH理论,比镍更重的元素不能靠聚变反应生成,而是由一些重元素核在恒星中连续俘获中子形成的。在大质量恒星(质量达到8~20个太阳质量)演化的末期,核心温度可以高达4×109K,铁会转为氦和中子,大量吸热,使核心处于爆缩状态,随之是超新星爆发。这时强密度中子流会陆续击人元素核中生成铀、钍,甚至超铀元素和超重元素。

恒星的生与死

   根据爱因斯坦在20年代初提出的质能转化关系,贝特等在30年代末提出氢聚变为氦的热核反应是太阳发光发热的能源。通过对太阳内部结构的研究和分析,天文学家们进一步研究了恒星的能源和演化的关系。于是就产生了核天体物理学这样的一个天文学分支。由于恒星形成时的质量不同,发的光(能量)也不同。恒星越大发光越强烈(表面温度也高),在主星序内停留阶段也短,反而是质量小的恒星,能量消耗少,稳定发光的时间要更长。一般说来,高光度、大质量的O和B型星在主星序上停留只有几百万年、几千万年,而低光度、小质量的K和M型星则可以稳定发光长达几千亿年、几万亿年之久。太阳是G型星,据计算在主星序阶段可以停留100亿年左右,如今已过了50亿年,即已达到中年,估计还能维持50亿年或更长的寿命才进入晚年。

   当恒星核心中氢的含量消耗到只剩下1%~2%时,能量供应不足抵住引力,恒星开始收缩。收缩使核心温度进一步增高,这时恒星核心边层开始发生氢转变为氦的核反应,使得恒星外层温度增高而膨胀变成红巨星。而内部核心的温度升得更高,引发了氦的聚变,这时恒星会发生周期性的膨胀和收缩。

   更进一步的情况是,小质量的恒星,因能源耗尽而收缩成红矮星。大质量的恒星,因引力收缩,使热核反应不断升级直到生成铁的核心。这时恒星的核心再进一步坍缩,外层就会爆发成为“新星”或“超新星”(“新”只是我们似乎观察测到一个新的星,而实际上是个快要老死的星),而其核心则变成为密度极大的白矮星或中子星。也有的爆发后就完全散开到宇宙空间去了。

   例如,公元1054年在金牛座的超新星爆发,在我国的史书中有详细的记载。在今天我们还可以看到爆发时抛出的蟹状星云,和一颗中心遗留的中子星。新星和超新星爆发可以说是恒星晚年的回光返照。但这决不是一般的回光,一颗超新星爆发时光度可以达到107~1010个太阳的光度(相当于整个星系的光度),即光度突然增大千万倍甚至上亿倍,同时放出极大的能量。这是恒星世界中已知最为激烈的爆炸,而爆炸得到的产物是比铁更重的元素,直到超铀元素。

 

   根据爱因斯坦广义相对论还预言了一种特殊的天体——黑洞。1939年奥本海默等作过计算,认为星球有可能坍缩到它的引力半径之内.对于晚期高密度的恒星来说,当恒星质量超过引力半径公式给定的M值时,就会形成黑洞。也就是说连光线也不能从黑洞中逃逸出来,这样外界就无法再观察到它了。黑洞也是恒星终极的产物,天文学家们极力设法找寻黑洞,首先在双星体系内寻找黑洞。天文学家们描绘了这样的图景,黑洞天体不断地把它的伴星的物质像长虹吸水一样的吞噬着,它们也许最终会合并成一个黑洞。

   一般说来,恒星是由低密度的星际物质凝缩而成,这是形成恒星的原料——原始星云,质量大约是几十个乃至一万多个太阳的质量。在凝缩过程的同时,不仅密度不断增加,而且核心温度也不断增加,辐射压力和引力相互较量之后,终于平稳地收缩成原恒星。在这过程中,原恒星的核心温度继续增大,增大到700万度以上时,氢聚变为氦的热核反应开始,恒星发光发热,而核心产生的能量足以抵住引力收缩的压力和向外辐射掉的能量,于是变成一颗稳定的正常发光的恒星,进入了主星序成为一颗主序星,这是恒星的壮年时代。 恒星经历了生老病死的过程,在这个过程中把物质转化为能量,把氢和氦转化为更重的元素直到超铀元素,从而为宇宙向更深层次的演化奠定了基础。恒星死亡的残骸将混人星际物质中,准备生成更新一代的恒星。

元素的年龄

   以上概略叙述了元素在恒星中的演化。根据B2FH理论,放射性元素是在恒星演化后期形成的。如果我们选两个半衰期不同的放射性同位素例如铀-235和铀-238,假定它们同时形成,形成的比例可由理论推算,可以简单认为是1比1。那么,由地球或其他宇宙天体中这两种放射性物质的现今比例,就不难推算出经过了多少年了。

   例如,在地球上铀-235对铀-238现今的比例已经是0.00725。而且科学家们已经测定:铀-235的蜕变常数是972亿年;铀-238的蜕变常数是154亿年,所以就不难推算出铀元素生成到现在已经过了65亿年了。当然,这是元素的年龄下限,也就是说这是老一代恒星爆发为超新星到现在的年龄,再往前推算原始恒星的生成和演化的年龄,由之可以估算出银河系的年龄约为150亿年。或者说,这就是原始大爆炸到现在的年龄。

   如果我们银河系的初始状态全部是氢,那么第一代恒星应当全部由氢组成;第一代恒星死亡后,生成的各类元素弥散开来,使银河系的组成发生变化,于是再凝聚成的第二代、第三代恒星的原始组成就复杂了。我们的太阳现处于氢燃烧阶段,但已有铁等重元素,可以肯定它不是第一代恒星。而地球也只能是由第一或第二代恒星的残骸形成,地球的铁核、地球上的各种元素和放射性物质,都说明了这一点。这就是地球上为什么有这么多种元素的原因。

   在恒星中后期形成的重元素,实际上储存了恒星的能量,又以放射蜕变形式逐步释放,所以我们地球不仅享受着本代恒星——太阳供应的能,而且还在享受着前几代恒星留下来的“祖先遗产”。可以这样认为,地球是银河系物质演化高级阶段的产物。

 

   关于元素的起源和演化的学说,实际上还处于假说阶段,还有不少重要环节不很清楚。在这方面,天文学上的新发现还在不断丰富其内容。

责任编辑:微科普

>相关科普知识