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宇宙起源的七个事实,令人兴奋!138.17亿年前宇宙诞生了

2019.06.25

大约138.17亿年前,我们所知道的宇宙诞生了,在这个被称为宇宙大爆炸的时刻,是宇宙本身开始迅速膨胀的时刻,在大爆炸的时候,可观测宇宙(包括至少2万亿星系的物质),其直径小于一厘米。现在,可观测宇宙(哈勃体积)直径930亿光年,而且还在膨胀。

关于宇宙大爆炸有很多问题,特别是关于它之前发生了什么(如果有的话)。但科学家确实知道一些事情,继续读下去,会发现关于万物起源的一些最令人费解的发现。

No.1、宇宙在膨胀

直到1929年,宇宙的起源还完全笼罩在神话和理论之中,但就在那一年,埃德温·哈勃(Edwin Hubble)这位富有进取心的天文学家发现了关于宇宙一些非常重要的东西,它将为理解宇宙的过去开辟新的途径:整个宇宙正在膨胀。哈勃通过测量一种叫做红移的东西发现了这一现象,红移是指在非常遥远的星系中看到向更长红色波长光的转移(物体越远,红移越明显)。

哈勃发现,在遥远的星系中,红移随距离呈线性增加,这表明宇宙不是静止的。它在所有地方同时膨胀。据美国宇航局称,哈勃能够计算出膨胀的速度,这一数字被称为哈勃常数。正是这一发现使科学家们能够推断出宇宙曾经被压缩成一个小点,即宇宙膨胀的第一个时刻为大爆炸。

No.2、宇宙微波背景辐射

1964年5月,贝尔电话实验室研究人员阿诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)正在新泽西州研制一种新的无线电接收器。他们的天线不断地接收到一种奇怪嗡嗡声,似乎来自任何地方,任何时间。他们认为这可能是设备里的鸽子,但移走鸟巢没有任何作用。其他减少干扰的尝试也没有成功,最后,他们意识到他们正在捡到一些真实的东西。

结果发现,他们探测到的是宇宙的第一束光:宇宙微波背景辐射。这种辐射可以追溯到宇宙大爆炸后约38万年,当时宇宙终于冷却到足以让光子(构成光的波状粒子)自由运动。这一发现为大爆炸理论和宇宙膨胀速度超过光速的观点提供了支持(这是因为宇宙背景相当均匀,表明从一个小点开始,一切都在同时平稳膨胀)。

No.3、宇宙“婴儿照片”

宇宙微波背景的发现为了解宇宙起源打开了一扇窗,1989年美国宇航局发射了一颗名为“宇宙背景探测器”(COBE)卫星,用来测量背景辐射的微小变化。

根据美国宇航局信息,结果是一张宇宙的“婴儿照片”,显示了膨胀宇宙中一些最初的密度变化。这些微小变化可能导致了星系和真空的模式,即我们今天在宇宙中看到的宇宙星系网。

No.4、宇宙膨胀的直接证据

宇宙微波背景也使研究人员找到了宇宙膨胀的“确凿证据”——大爆炸时发生比光速还快的大规模膨胀(尽管爱因斯坦的狭义相对论认为,没有什么比光在空间中传播得更快,但这并不是一种违反,空间本身扩大)。2016年,物理学家宣布,在一些宇宙微波背景中发现了一种特殊的偏振或方向性。这种偏振被称为“b模式”。

b型偏振是大爆炸引力波的第一个直接证据,引力波的产生是由于空间中大量物体的加速或减速(第一个被发现的引力波来自两个黑洞碰撞)。b型模式为直接探测早期宇宙膨胀提供了一种新方法,或许还能找出是什么推动了宇宙膨胀。

No.5、目前没有发现额外维度

引力波发现的一个结果是,它使科学家们能够在通常的三个维度之外寻找其他维度。根据理论学家的说法,引力波应该能够穿越到未知的维度,如果这些维度存在的话。2017年10月科学家探测到两颗中子星碰撞产生的引力波。测量了波浪从恒星传播到地球的时间,没有发现任何额外维度的证据。

这项研究结果发表在《宇宙学和天体粒子物理学》上,研究结果表明,如果宇宙中还有其他维度的话,它们都是非常微小的——它们会影响到宇宙中小于1英里(1.6公里)大小的区域。这意味着弦理论,假设宇宙是由微小的振动弦组成,并预测至少10个微小的维度,仍然可能是正确的。

No.6、膨胀加速

物理学中最奇怪的发现之一是宇宙不仅在膨胀,而且还在加速膨胀。这一发现可以追溯到1998年,当时物理学家宣布了几个长期运行项目的结果,这些项目测量了被称为Ia型超新星。研究结果(为研究人员索尔·珀尔马特(Saul Perlmutter)、布莱恩·p·施密特(Brian P. Schmidt)和亚当·g·莱斯(Adam G. Reiss)赢得了2011年的诺贝尔奖)揭示了这些超新星中最遥远恒星发出的光线弱于预期。

微弱的光线表明空间本身正在膨胀:宇宙中的一切都在逐渐远离其他一切。科学家称这种膨胀的驱动力为“暗能量”,这是一种神秘的引擎。这种暗能量似乎对使宇宙起源的理论与目前正在进行的观测相吻合至关重要,比如NASA威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)所做的观测,该仪器迄今为止绘制了最精确的宇宙微波背景图。

No.7、甚至比预期还要快

2019年4月哈勃望远镜发布的新结果加深了宇宙膨胀之谜。太空望远镜的测量结果显示,宇宙膨胀速度比之前的观测结果快9%。美国国家航空航天局(NASA)表示,对于星系来说,距离地球每330万光年意味着每秒46英里(74公里)的速度远离,比之前的计算预测要快。为什么这对宇宙的起源很重要?因为物理学家肯定漏掉了什么。据美国宇航局称,在宇宙大爆炸期间和之后不久,可能有三次独立的暗能量“爆发”。

这些爆发为我们今天所看到一切的奠定了基础,第一个可能开始了最初的膨胀,一秒钟发生的速度可能要快得多,就像一只沉重的脚踩在宇宙的油门上,导致宇宙膨胀的速度比之前认为的要快。最后一次暗能量爆发可能解释了今天宇宙的加速膨胀。这些都还没有得到证实,但是科学家们正在寻找。德克萨斯大学奥斯汀麦克唐纳天文台研究人员正在使用一种最新升级的仪器——霍比-埃伯利望远镜,直接寻找暗能量。

这项名为“霍比-埃伯利暗能量望远镜实验”(HETDEX)的项目,正在测量远至110亿光年星系发出的微弱光线,这将使研究人员能够看到宇宙加速度随时间的任何变化。还将研究宇宙诞生40万年,宇宙中扰动的回声,这些扰动是在宇宙大爆炸后由稠密粒子组成的浓汤中产生,这也将揭示膨胀的奥秘,并解释驱动宇宙膨胀的暗能量。

博科园|文:Stephanie Pappas/Live Science

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