本世纪重大天体物理问题:星系形成与演化
宇宙从何而来?由大量恒星组成又作为宇宙基本单元的星系是如何形成和演化的?赵刚向记者推荐毕洪、邹振隆 、陈学雷撰写的《宇宙大爆炸》一文,回答这一问题。
300多年前,牛顿认为:宇宙永恒存在,且空间无边无际。20世纪,一些科学家包括爱因斯坦、勒梅特、伽莫夫等,彻底颠覆了这种见解。经研究和观测证实,宇宙起源于一次“大爆炸”。
“大爆炸”理论认为,大约137亿年前,宇宙从极端高温高密状态起源,此后随其体积膨胀和温度下降,以质子、中子等基本粒子形态存在的物质,最先结合形成氘、氚、氦、锂等较轻元素;随后进一步冷却形成恒星,在恒星内部合成碳、氧、硅、铁等重元素;再抛射到周围形成行星;最终,像地球这样条件适合的行星演化出生命,成为目前的宇宙。
1905年,爱因斯坦提出狭义相对论;10年之后,他又提出广义相对论。相对论同量子论一起推动了20世纪物理学革命,亦为从整体上研究哈勃发现的星系宇宙,奠定了理论基础。
20世纪20年代,天文界围绕星系是否为银河系一部分的问题,曾展开一场大讨论。就在这时,天文界新秀埃德温·哈勃来到美国威尔逊天文台。1922年~1924年期间,他分析一批造父变星亮度之后断定,这些造父变星和它们所在的星云距地球远达几十万光年,因而一定位于银河系外。1925年,他根据河外星系形状对其分类,又得出第二个重要结论:星系看起来都在远离地球而去,且距离越远,远离速度越高。哈勃于1929年发表的这个初步结论后来被更多观测所证实,成为人们公认的“哈勃定律”。
“哈勃定律”的重要意义在于,它表明宇宙并非如天文界以前认为的那样是静止的;它显示出宇宙中的星系就像一个膨胀气球上的斑点,随膨胀而退行已达100亿年~200亿年,从而为此前弗里德曼和勒梅特的膨胀宇宙模型提供了观测依据。
1946年,一位移居美国的苏联科学家探索宇宙中基本元素如何形成问题。他坚信,高热爆炸产生的辐射,即使是在100多亿年后的今天,亦不会完全消失。
这一预言被后来的观测研究证实:微波背景辐射即是大爆炸的“余烬”;随着宇宙不断膨胀,其背景辐射温度亦逐渐降低,迄今相当于绝对温度2.7度即零下270.46摄氏度黑体发出的微波辐射。所谓黑体,是指能全部吸收外来电磁辐射而毫无反射和透射的理想物体。黑体发出的辐射在不同波长上的分布,仅与黑体温度有关。
1989年的一个早晨,美国航空航天局将COBE卫星送上太空。COBE最初9分钟的观测结果就表明,宇宙微波背景辐射具有完美的黑体辐射谱。宇宙大爆炸理论进一步得到证实。
两名美国学者约翰·马瑟和乔治·斯穆特,根据COBE卫星测量结果进行分析计算后发现,宇宙微波背景辐射与绝对温度2.7度黑体辐射非常吻合,此外微波背景辐射在不同方向上温度有着极其微小的差异,亦即是说存在所谓的各向异性。
2006年12月3日,瑞典皇家科学院宣布,将该年度诺贝尔物理学奖授予美国科学家约翰·马瑟和乔治·斯穆特,以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性。
诺贝尔奖评审委员会发布的公报说,马瑟和斯穆特的成果有助于研究早期宇宙,并能帮助人们更多地了解星系和恒星的起源。 (大众科技报 朱广菁)
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