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关于宇宙的性质,我们知道哪些?

2020-05-09 作者:

众所周知,宇宙的本质需要三个关键因素:星系退化,天空中的弱微波空,以及氢和氦,宇宙中最丰富的元素。

1929年,埃德温·哈勃宣称星系的径向速度与它们的距离成正比。该理论基于对星系红移的测量,并估计它们之间的距离。红移是一种在实验室测量谱线波长与测量值偏离多少的方法。假设这是由于多普勒效应,星系的红移就是它的径向速度。他对星系距离的估计是基于一颗特定恒星的亮度(一颗叫做造父变星的脉动恒星)

在哈勃关系中,比例常数被称为哈勃参数/哈勃常数(v=H*d,其中v是速度d是距离)。哈勃最初估计哈勃的参数是464千米/秒/百万秒(换句话说,银河系中1兆立方厘米= 300万光年的速度是464千米/秒)。我们现在知道哈勃不知道造父变星的两个变量。今天,对哈勃参数的各种估计从50到100千米/秒/百万秒不等。

哈勃测量了天空中大量位置和亮度不同的星系。他发现不同方向的模糊星系的数量是相同的(尽管在北方天空中有大量明亮的星系空)。当不同方向的星系有相同的分布时,它们是均匀的。当哈勃寻找比特定亮度暗四倍的星系时,他发现星系比这个界限亮八倍。四倍的亮度意味着两倍的距离。

两倍的距离意味着你看到的体积是它的8倍。这个结果表明宇宙在空之间几乎是均匀的,或者宇宙的密度在很大范围内是相同的。(当然,宇宙不是各向同性或均匀的,因为它包含像地球这样的密集区域。然而,假设你有一个足够大的盒子,你会发现里面有相似数量的星系。这样,就有理由认为宇宙是各向同性的和均匀的。对这个大区域的调查证实,在3亿多光年的边界上,宇宙趋向于各向同性和均匀一致。

在彭齐亚斯和威尔逊于1965年宣布发现宇宙微波背景后,这个例子更有利于证明宇宙的各向同性和同质性。他们观察到波长为7.5厘米的非常明亮的光束,相当于温度为开尔文温标3.7+/-1的黑体辐射。(开尔文的温标与摄氏温标相同,但更有意义的是,在完全零度的环境中,水的冰点是273.15开尔文的温度)。黑体的辐射物质可以吸收任何辐射并保持恒温。

从那以后,许多天文学家一直在测量不同波长的宇宙微波背景亮度。目前,宇宙微波背景最有效的光谱信息来自宇宙背景探测器卫星上的远红外绝对分光光度计设备。宇宙背景探测器的数据与黑体辐射和2.728千牛顿的数据一致(实际上,我们在一个温度为2.728千牛顿的烤箱里)。宇宙微波背景的温度在天空中是相同的空。对我们来说,微波背景辐射在宇宙中的传播距离必须非常接近均匀和各向同性。这些观察形成了所谓的宇宙学原理:宇宙是均匀的,各向同性的。

如果宇宙正在膨胀——就像星系正在下降——并且现在处于一定的温度,那么在过去星系靠得更近,宇宙的温度也更高。如果我们在任何时候继续向后推,我们将达到恒星内部的温度(数百万的温度,此时星系如此接近,以至于它们不是我今天所看到的)。如果温度达到恒星内部的温度,就会发生聚变。

宇宙中最重要的成分是氢和氦。在知道宇宙的膨胀速度后,我们就能理解融合所需的时间。根据这一预测,宇宙最初由纯氢组成,其中25%的氦融合形成氘(氘)、氦(氦-4和氦-3)和锂;大多数聚变产物是氦-4。对于非常古老的恒星和遥远的气体观测,气体显示出大量的氢和氦,含量约为75%至25%。

作者:sciastro

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