第八章 第三节 宇宙的起源与演化
图 8–12 宇宙演化进程
这是我们目前对宇宙演化进程的认识。
本节编写思路
本节介绍恒星及宇宙的演化，让学生对恒星和宇宙的起源及演化有一个初步的概念，了解我们的宇宙从何而来，对暗物质和暗能量也做了简要的介绍。
人类探索宇宙的奥秘已经有很长的历史了，战国时期的思想家尸佼（前 390–前 330）在 2 300 多年前就给出了宇宙的定义，“四方上下曰宇，往古来今曰宙”。但只有当广义相对论建立之后，宇宙学才真正成为现代科学意义上的一门学科。图 8–12 所示就是人类目前对宇宙演化进程的认识。
牛顿认为，宇宙是无限的。不仅空间上是无限的，时间上也是无限的，没有起点，也没有终点。因此，无限的宇宙中一定有无限多颗恒星，并且是均匀分布在宇宙中的。否则由于引力的作用，宇宙将是不稳定的。但在 1826 年，德国天文学家奥尔伯斯（H．W．Olbers，1758 – 1840）指出，如果宇宙无限，且恒星在空间中的分布均匀，则任意方向上都会有无限多颗恒星，这些恒星的星光叠加起来后将足以达到太阳的光度，即不应该有黑夜。这就是所谓的奥尔伯斯佯谬。那么，宇宙到底是有限的还是无限的？
牛顿的宇宙是无限的，不仅空间上是无限的，无边无际，时间上也是无限的，没有起点，也没有终点。显然，无限的宇宙中一定有无限多的恒星，否则，由于引力是长程作用，且宇宙已经存在了无限长的时间，如果是有限的恒星，宇宙将是不稳定的，所有恒星都将坍缩到一点。如果有无限多的恒星，则可以假定恒星在宇宙空间中是均匀分布的。但这样会导致奥尔伯斯佯谬，即宇宙中任意一点，无限多星光的叠加都足以达到太阳的亮度。
另一方面，用牛顿力学讨论问题时，往往会假定取无限远处势能为零。牛顿的无限宇宙在无限远处仍然有无限多恒星，势能不可能为零。因此，牛顿的无限宇宙和牛顿力学也是不自洽的。
1929 年，美国天文学家哈勃（E．P．Hubble，1889 – 1953）通过对大量星系的观测发现，银河系以外的绝大部分星系都在远离我们，即星系都在退行，并且离我们越远的星系，其退行速度就越大。由此哈勃提出，星系的退行速度与距离成正比。这就是哈勃定律。
哈勃通过观测发现，绝大部分星系的光谱都是红移的，并且距离越远的星系，谱线的红移就越大。如果这是多普勒效应造成的红移，那就说明几乎所有星系都在远离或者退行。哈勃定律指出，星系的退行速度和距离成正比，距离越远，退行速度越大。
现在把宇宙膨胀造成的红移称为宇宙学红移。发现所有星系都在退行，并不说明地球是宇宙的中心。在任何一个星系上看，所有其他星系也都在退行。这可以用一个均匀分布着黑点的气球来说明，当气球膨胀时，站在任何一个黑点上看，会发现所有的黑点都在远离，并且距离越远的黑点其远离的速度越大。
图 8–13 天文单位和秒差距
由于天体之间的距离遥远，用通常的长度单位 m 或 km 来表示天体之间的距离是很不方便的。在天文学中通常用天文单位、光年和秒差距来表示距离（图 8–13）。其中天文单位（AU）定义为日地平均距离，即
1 AU = 1.495 978 7×108 km ≈ l.5 亿 km
光年（1.y.）定义为光在真空中沿直线传播一年所经过的距离，即
1 l.y. = 9.460 553 6×1012 km ≈ 10 万亿 km
秒差距（pc）定义为地球公转轨道半径对应的视角为 1ʺ 时的距离，即
1 pc = 3.085 678×1013 km ≈ 3.261 5 l.y. ≈ 30 万亿 km
离我们最近的恒星比邻星的距离为4.3 1.y.，或1.3 pc。
根据哈勃定律，星系之间的距离在不断增加。因此，在过去，星系之间的距离一定比现在要小，也就是说，宇宙是在不断地膨胀。根据这个观测事实，在前人研究工作的基础上，物理学家伽莫夫（G．Gamow，1904 – 1968）等人在 1948 年前后提出了大爆炸宇宙学（big bang cosmology），即我们的宇宙起源于约138亿年前的大爆炸。需要指出，这里所说的大爆炸，只是一个形象的说法，并不是通常意义下物体在某个空间的爆炸，而是时空本身的爆炸。可以说，在大爆炸之前，没有空间，也没有时间。大爆炸之后，时间才有了开端，空间则随之膨胀。
伽莫夫的大爆炸宇宙学被提出后，一开始并没有被认可，很多人并不相信可以这样研究宇宙。直到 1965 年理论预言的宇宙微波背景辐射被意外发现。在这之后，随着越来越多的观测证据，基于广义相对论的大爆炸理论成为研究宇宙学的标准模型。
需要强调，宇宙膨胀是空间的膨胀，星系之间在不断远离，但由于引力的束缚，星系本身并没有膨胀，太阳系也没有膨胀。
- 宇宙的演化
图8–14 所示为宇宙演化的简明时间轴。根据大爆炸宇宙学的理论，在大爆炸之后的瞬间，宇宙处于极高温、极高密的炽热状态，极不稳定。在大爆炸之后约 10−43 s时的温度约为 1032 K，然后随着宇宙的膨胀，温度不断下降。大爆炸后约 10−6 s，温度下降到 1013 K左右，开始形成质子和中子等粒子。大爆炸后约 10 s，温度下降到 109 K时，质子、中子开始结合成氢核、氦核，同时有少量氘核、氦 3、锂等轻核生成。核合成完成后，整个宇宙中氦元素的占比约 26%，这与目前的观测相当一致。大爆炸之后约 38 万年，温度下降到约 3 000 K，中性原子形成。此时光子与物质不再有显著的相互作用，成为自由粒子，宇宙变得透明。随着宇宙的膨胀，这些光子由于红移变成今天温度为 2.725 K 的宇宙微波
图 8–14 宇宙演化时间轴
背景辐射。这个背景辐射在 1964 年被美国射电天文学家彭齐亚斯（A．Penzias，1933–）和威尔逊（R．W．Wilson，1936 – ）无意中发现。随着宇宙膨胀，温度继续下降，形成大量气体云，大爆炸后约 2 亿年，第一批恒星形成，开始发光发热，大爆炸后约 10 亿年，第一批星系形成。银河系形成于 100 亿年以前，而太阳系形成于 50 亿年前。
- 恒星的演化
如图 8–15 所示，恒星起源于宇宙中的气体、尘埃等物质。在引力作用下，这些气体和尘埃聚集收缩成密度较大的原始星云，最后进一步收缩形成原恒星。原恒星在引力作用下进一步收缩，形成一个密度极大的核心，温度越来越高。当核心温度达到 107 K时，氢开始发生聚变为氦的热核反应并辐射能量，于是新的恒星诞生了。这时候的恒星压力和引力达到平衡，处于稳定阶段，称之为主序星。恒星在这一阶段停留的时间最长，太阳已经在主序星阶段停留了 50 亿年，并且还将继续停留 50 亿年。
宇宙中存在大量体积巨大、密度和温度都很低的星云，由于引力作用导致的密度起伏，会造成一些区域密度增大，一些区域密度减小。如果质量足够大，引力就会超过热运动向外的压力引起星云的收缩并形成一些引力中心。收缩过程中，大的星云会碎裂成很多小的星云。开始收缩时星云密度较小，产生的热能会很快散发出去，这使星云进一步收缩，密度上升。当密度足够大时，核心区域变得不透明，温度迅速上升，最后形成原恒星。在引力作用下原恒星进一步收缩，当核心区域达到氢的聚变温度时，一颗新的恒星就诞生了，即进入了主序星阶段。
在稳定的主序星阶段，恒星向外膨胀昀压力和引力达到平衡。一旦核心区域的核聚变停止，温度就会下降，引力就会超过向外的压力，恒星将开始收缩使得温度上升。如果核聚变剧烈，温度上升过快，向外的压力就会超过引力，恒星将会膨胀，使得温度下降。由于恒星在不断地辐射能量，核燃料终有消耗殆尽的时候，核心区域的核聚变总有停止的一刻，因此引力将使恒星最终坍缩为致密天体。
恒星质量越大，演化速度就越快，寿命也就越短。太阳的寿命约为 100 亿年，大质量恒星的寿命只有几千万年甚至几百万年，而质量比太阳还小的恒星寿命可达几百亿甚至上千亿年。
小质量恒星最终将演化成白矮星，密度可达 106 g/cm3，白矮星内部不再有核聚变反应，不再有能量产生。随着时间的推移，残存的能量将逐渐散去，白矮星温度将逐渐降低，最后变成黑矮星。
大质量恒星演化到后期会发生超新星爆发，核心部分形成密度高达 1014 g/cm3 的中子星。由于超新星爆发会释放巨大的能量，铁以后的重元素都是在超新星爆发中形成的，所以从某种意义上讲，人类也是超新星爆发的产物。超新星爆发后的恒星碎片散落在宇宙空间，成为下一代恒星的原料。
当恒星核心部分的氢大部分都聚变为氦以后，因为氦的聚变温度远高于氢的聚变温度，所以核心部分的聚变反应会停止，因而压力下降，星核在引力作用下再次收缩，从而温度上升。当温度达到 108 K 时，就开始发生氦聚变为碳的聚变反应。如果恒星有足够的质量，这样的过程会一直进行下去，依次产生氧、硅、钙、铁等重元素，形成类似洋葱的结构。因为铁是最稳定的元素，所以聚变反应到铁元素产生后就停止了。没有了热核反应维持的压力，星核就会在引力作用下不断收缩，密度越来越大。
对于小质量恒星，由于没有足够的质量，核反应到一定阶段就会停止，然后逐渐形成体积巨大、表面温度较低的红巨星，之后，恒星外层物质由于不断膨胀形成行星状星云，
图 8–15 恒星的演化
图 8–16 蟹状星云
核心部分将形成质量不超过 1.4 个太阳质量、密度达到 106 g/cm3、尺度和地球相似的白矮星。天狼星的伴星就是一颗白矮星。
对于大质量恒星，热核反应会一直持续到铁元素的产生。然后由于热核反应停止，星体在巨大引力作用下再次收缩，核心密度越来越大，最后将发生超新星爆发，外层物质形成向外扩散的气体云，核心留下密度高达 1014 g/cm3 而尺度只有几十千米的致密天体，即完全由中子构成的中子星。高速旋转的中子星也叫脉冲星。对于质量更大的恒星，因为引力巨大，最后将形成更神秘的天体——黑洞。
质量更大的恒星演化到最后会一直坍缩下去，直到形成黑洞。牛顿力学其实早在 18 世纪就预言了黑洞的存在，即一个质量为 m 的天体，如果其半径小于 \(\frac{{2Gm}}{{{c^2}}}\)，则表面逃逸速度将大于光速，这个天体就成为看不见的天体，即所谓的暗星。对太阳而言，这个临界半径为 2.95 km。也就是说，如果把太阳压缩到半径为 2.95 km的球内，太阳就成为黑洞了。
由于黑洞是强引力场天体，牛顿力学是不适用的，虽然得到的临界半径和广义相对论的结果一致，但意义是不同的。按照广义相对论，一旦形成黑洞，当物质进入视界面以后，将不可避免地向中心坍缩，直到形成奇点。也就是说，黑洞是由视界面包围的一个奇点，而视界面是一个几何面，并不是物质的界面。
视界面是单向膜，物质或光一旦进入视界，就无法回头。视界面也是无限红移面，视界面上发出的光将由于无限红移而无法被远处的观测者观测到。黑洞的引力场很强，它会将附近的物质都吸进去，而物质在向黑洞坠落时，由于做加速运动而辐射 X 射线，因此，类似天鹅座 X – 1 这样的强 X 射线源很可能是个黑洞。另外，星系的中心往往是一个巨型黑洞。已经有大量的证据证明黑洞是存在的。天体物理学家根泽尔和盖兹已经发现，银河系中心的人马座 A 是一个质量约为 400 万个太阳质量的巨型黑洞。笫一张黑洞照片就是事件视界望远镜 EHT（Event Horizon Telescope）拍摄的巨型椭圆星系 M87 中心、质量约为 60 亿个太阳质量的巨型黑洞。关于黑洞，还有更多的奥秘等待人类去揭开。
图 8–16 所示为发生在北宋至和元年（1054 年）的一次超新星爆发之后留下的遗迹，称为蟹状星云。《宋会要》有关于蟹状星云超新星爆发的记载：“至和元年五月己丑（1054 年 7 月 4 日），晨出东方，守天关（金牛 ζ 附近）。昼见如太白（即金星），芒角四出，色赤白，凡见二十三日。”
按照广义相对论，最简单的黑洞是施瓦茨黑洞，黑洞存在一个视界面，视界半径即为施瓦茨半径 RS = \(\frac{{2Gm}}{{{c^2}}}\)，其中 G 为引力常量，m 为黑洞质量，c 为光速。视界是一个单向膜，任何物体或光进入视界后就再也无法离开，即视界内任何信息都不能传递到视界之外。如果有一艘飞船飞向黑洞，航天员定时向远处的观察者发送信号，则远处的观察者会发现，随着飞船靠近黑洞，信号的红移会越来越大，发送信号的时间间隔也越来越长。靠近黑洞的一刹那，信号将会因为被无限红移而无法被观察者观测到，也就是说，远处的观察者不可能看到飞船穿越黑洞的过程。如果黑洞的质量是一个太阳质量，则相应的施瓦茨半径为 RS = 2.95 km。
更复杂的黑洞是带电荷或有旋转的黑洞，根据广义相对论，任何黑洞只需要用质量 m、电荷量 Q 及角动量 J 这三个参数描写。
图 8–17 第一张黑洞照片
经典黑洞是只进不出的，但物理学家霍金（S．W．Hawking，1942–2018）证明，如果考虑量子效应，黑洞将会产生辐射，即所谓的霍金蒸发。但这个效应实验上很难观测到。
图 8–17所示是包括中国科学家在内的各国科学家们经过数年努力，利用分布在全球的8台射电望远镜同步拍摄，并经过2年多的数据处理后得到的第一张黑洞照片。这是一个距离地球约 5.5×107 l.y.、质量约为65亿个太阳质量的巨型黑洞。
通过对星系及星系团质量分布和宇宙大尺度结构的研究，天体物理学家发现，除了由原子、分子组成的普通物质，如恒星、星际气体、星际尘埃之外，星系及星系团内还存在大量的暗物质，而暗物质的总质量要远远大于宇宙中所有可见物质的质量总和。如果没有暗物质，星系及星系团的形成和稳定将无法解释。这些暗物质没有电磁辐射，和普通物质只发生引力作用，因此用望远镜等传统方法难以探测。到目前为止，还没有暗物质探测的直接证据，也不清楚暗物质到底是由什么样的粒子组成的。
早在 20 世纪 30 年代，通过星系和星系团的质量分布及运动的观测研究，就发现星系和星系团中有大量的暗物质存在。对宇宙大尺度结构的研究也表明，暗物质有助于大尺度结构的形成。没有暗物质，将无法解释目前观测到的宇宙大尺度结构的形成和星系及星系团的稳定。
暗物质不参与电磁相互作用，不发光，难以用传统的望远镜进行观测，只能通过引力效应探测。
通过研究大尺度结构的形成可知，暗物质的速度应远低于光速，否则无法形成现有的大尺度结构。中微子虽有质量，但因其速度接近光速，不太可能是暗物质。
由于对暗物质的性质并不清楚，虽然提出了很多暗物质的候选者，但到目前为止，尚未有任何实验发现暗物质存在的证据。
1998年，天体物理学家对遥远超新星的观测研究发现，宇宙不仅在膨胀，而且是在加速膨胀。为了解释宇宙的加速膨胀，物理学家引入了充满整个宇宙并具有负压性质的暗能量。但我们实际上对暗能量的性质还很不了解，更不知道如何去探测。根据对宇宙微波背景辐射的精确测量可以得知，暗能量约占整个宇宙的 68%，暗物质约占 27%，而普通的可见物质只占 5% 左右。因此，虽然暗物质和暗能量目前无法探测到，但却极大地影响着宇宙的演化和宇宙大尺度结构的产生，也决定了宇宙未来的命运。有人将暗物质和暗能量称为 21 世纪物理学上空的两朵新的乌云，如何驱散这两朵乌云．物理学将如何解决这些难题，是当代人们极为关注的科学前沿。
20 世纪末对遥远超新星的观测显示，宇宙不仅在膨胀，而且是在加速膨胀。为了解释宇宙的加速膨胀引入了暗能量。暗能量是目前最大的物理学难题之一，根据对宇宙微波背景辐射的精确测量可以得知，暗能量约占整个宇宙的 68%，暗物质约占 27%，普通的可见物质只占 5% 左右。
我们对暗能量知之甚少，更不知道如何探测。爱因斯坦在其方程中加的宇宙常数项，是解释暗能量的最简单的模型，还有很多各种各样的理论模型，但没有一个是令人满意的。物理学发展到今天，突然发现我们所了解的只是区区 5% 而已。
爱因斯坦告诉我们，宇宙中最不可理解的事，就是宇宙是可以理解的。
- 恒星演化到晚期，最终会形成哪几种致密天体？
- 某同学认为，宇宙微波背景辐射产生于第一批恒星诞生的时候，目前温度为 300 K，在宇宙中的分布均匀各向同性。试分析该说法是否正确。
- 恒星不断地向周围空间辐射巨大的能量，判断下列关于恒星能量如何产生的说法是否正确并简述理由。
（1）恒星内部优质煤的燃烧。
（2）恒星核心区域的核聚变。
（3）恒星上可燃气体的燃烧。
- 什么是暗物质？什么是暗能量？为什么要引入暗物质和暗能量？
1．参考解答：恒星演化到晚期，先进入红巨星阶段，然后根据质量大小不同，小质量恒星会形成白矮星，大质量恒星会发生超新星爆发，最后形成中子星甚至黑洞。
命题意图：对恒星演化过程进行小结。
主要素养与水平：科学推理（Ⅰ）；解释（Ⅰ）。
2．参考解答：该同学的说法部分正确，部分错误。宇宙微波背景辐射产生于大爆炸后38万年，比第一批恒星的诞生早很多，目前温度为 2.7 K，在宇宙中的分布均匀，各向同性。
命题意图：初步了解宇宙微波背景辐射的基本性质。
主要素养与水平：科学推理（Ⅰ）；证据（Ⅰ）；解释（Ⅰ）。
3．参考解答：（1）和（3）错误，因为恒星内部并不满足化学燃烧的条件，而且煤及可燃气体的燃烧都是化学反应，其释放的能量与核聚变相比是微不足道的。（2）正确，恒星的能量来自核心区域的核聚变。
命题意图：初步了解恒星能源产生机制。
主要素养与水平：科学推理（Ⅰ）；解释（Ⅰ）；科学本质（Ⅰ）。
4．参考解答：暗物质是不发光、没有电磁辐射、和普通物质只有引力作用、目前尚未发现的一种未知的物质；暗能量则是一种充满宇宙、具有负压性质的能量。目前对暗物质和暗能量还很不了解，也不清楚如何探测。引入暗物质是为了说明星系、垦系团的稳定性，解释宇宙结构的产生，引入暗能量是为了解释宇宙的加速膨胀。
命题意图：对暗物质和暗能量有初步了解。
主要素养与水平：科学推理（Ⅰ）；解释（Ⅰ）；科学本质（Ⅰ）。
发布时间：2022/2/13 10:58:50 阅读次数：3768
