天文科普:谁在决定宇宙的命运?
发布时间:2023-08-10
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科普时报记者 张英贤

院士科普讲堂 


仰望苍穹,人类一直都在追问:宇宙是什么?从哪里来?到哪里去?谁在决定它的命运?面对宇宙,我们有很多灵魂之问。


近日,由中国科协、教育部共同主办的2023年青少年高校科学营全国开营式暨“全国中学生同上一堂暑期科学课”举办。中国科学院院士、“科学与中国”院士专家、中国科学院大学天文与空间科学学院院长武向平以“认识我们的宇宙”为主题,带领中学生们仰望苍穹,穿越宇宙时空的长河,感受浩瀚宇宙的魅力。


宇宙从哪里来?

先人曾经对“宇宙从哪里来”这个问题作出多种想象,直到哈勃发现宇宙膨胀的证据。1929年,哈勃在测量银河系附近的其他星系时,发现这些星系看起来都在远离我们而去,从而得出“宇宙是在膨胀的”这一结论。


在暑期科学课上,武向平对中学生们说:“如果宇宙自诞生起就在不停地膨胀,那么随着时间不断倒退,总有一刻宇宙中的物质会聚集在一起。”


美国核物理学家、宇宙学家乔治·伽莫夫认为,宇宙最初是一个高温的核火球,进行着激烈的核反应,在高温高压下火球不断膨胀,随后逐渐降温,核反应慢慢停止,在整个过程当中,形成了各种物质,最后演化成了今天的宇宙。


“既然有大爆炸,宇宙中就应该留下一个火球。随着宇宙的不断膨胀,这个火球会一直冷却下去,但不管变得多冷,这个火球应该存在,我们应该能够看见它。”武向平介绍,这个火球是大爆炸遗留下来的“热辐射”,被称为“宇宙微波背景辐射”,是一种充满整个宇宙的电磁辐射。


寻找火球很重要。1956年,乔治·伽莫夫预测,火球冷却温度为零下267摄氏度。1965年,贝尔实验室两位无线电工程师阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在调试天线时,发现一直有噪声干扰。“天文学家很快意识到,这就是大爆炸火球的痕迹。”武向平介绍,“今天我们已经知道,火球最亮的部分,其温度为零下270摄氏度。但是新的问题又产生了,两位工程师‘看到’的火球是均匀的。2006年,人类却发现火球是不均匀的。”


不均匀的“宇宙的种子”可以生长为宇宙的当前结构吗?科学家把相关数据导入计算机中,根据万有引力定律,对宇宙膨胀进行模拟。从实际统计上发现,计算机给出的模型和如今的宇宙结构相差无几。武向平表示,如果按照计算机模型继续演化下去,宇宙的命运一目了然。


宇宙到哪里去?

宇宙大爆炸创造了地球上的基本元素。


“高温情况下,质子、中子、电子无法稳定结合,从而形成原子核。”武向平介绍,在宇宙大爆炸降温的过程中,“一个质子抓住一个电子,形成氢元素;两个质子、两个中子、两个电子形成氦元素。前者在宇宙中占比77%,后者占比23%。再看太阳,氢元素占到73.46%,氦元素占到24.85%。”


宇宙中其他星体的物质成分均为77%的氢元素和23%的氦元素,为什么太阳的氢元素却比77%的比例要少呢?“因为太阳在不停地燃烧氢元素变成氦元素。我们可以算下去,剩下的氢元素还能燃烧多少年?结果显示,50亿年以后,太阳便不复存在。”武向平介绍。


众所周知,化学元素周期表中有118种元素,除氢、氦和人造元素以外,其他元素又是从哪里来的呢?天文学家发现,其他元素来自恒星核合成。恒星诞生之后,核心就会持续不断地进行核聚变,质子不断聚合在一起形成新的元素,同时释放出巨大的能量。


“像太阳这样的恒星,一般死亡在铁核上。”武向平解释,恒星有3种命运结局:像太阳一般质量的恒星终结于白矮星,比太阳质量大的恒星可能通过超新星爆炸变成中子星,质量更大的恒星爆炸后就会变为黑洞。


在恒星死亡的过程中,恒星物质急速向内坍缩,不断挤压撞击核心,进而产生超强能量,这些能量足以让死亡的恒星内核重新“燃烧起来”,让铁元素继续聚变下去。然后几乎所有的元素都通过超新星爆发的方式释放出来,抛散到浩瀚的星际空间。


“地球主要的质量是由铁组成的,铁元素占比32.1%。在上一颗超新星爆炸的时候,金属元素散布在星际空间,恰逢太阳系形成,被太阳系行星汇集利用,地球在形成之初曾捕获到大量铁元素。”武向平说,地球上的稀有元素并不来自本身,而是来自中子星相撞。


主宰宇宙命运的暗物质是什么?

宇宙会永远膨胀下去,还是膨胀后再收缩回来呢?有什么办法可以停止宇宙膨胀呢?


天文学家认为,如果我们在宇宙中塞进一些物质,这些物质产生的引力可以把宇宙拉回来。那么,天上的星星加起来是否能达到停止膨胀的密度呢?“天文学家的看家本领就是数星星,但遗憾的是,所有星星加起来所贡献的密度仅仅达到了让宇宙停止膨胀值的千分之五,几乎差了一千倍。”武向平感叹。


但是,我们看到的物质能代表真实的全部吗?90年前,一位科学家分别通过光学和运动的方法测试一星系团,其中有几百颗星星,发现后者测出的结果是前者结果的400倍,因此推测出宇宙中应该存在暗物质。


“如今,我们可以测出,宇宙中的所有物质中,发光物质占比16%,暗物质占比84%。发光物质中只有20%是可见光。”武向平介绍,“遗憾的是,两者加起来的质量仅仅达到让宇宙停止膨胀所需质量的27%。因此,宇宙将永远地膨胀下去,各个恒星之间距离会越来越远,温度越来越低。”


宇宙又将如何膨胀?是匀速、放缓速度还是加快速度呢?1988年,3位天文学家用测量超新星的办法测试到,宇宙膨胀会越来越快。但是,宇宙为什么会加速膨胀,依然是个谜。


武向平表示,虽然现代宇宙学已经取得了巨大的成功,但也留给我们更多的困惑:主宰宇宙命运的暗物质是什么?导致宇宙加速膨胀的神秘能量是什么?也许,笼罩在今天宇宙学上空的两朵乌云正暗示着物理学甚至整个自然科学整个理论体系正处在革命的前夜,一场大变局即将来临。


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