一文弄懂宇宙的历史与结构(图文并茂)!

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我们了解宇宙本质的旅程始于数千年前,其根源在于宗教和哲学。大约2300年前,地中海地区的细心观察者推断,地球必须是圆的,必须围绕太阳运行。

然而,由于这些早期的理论无法被证明是正确的,他们就无法反驳更令人高兴的观点,即地球是万物的中心,宇宙的存在是为了支持人类的生命和命运。

大约1900年后,当意大利天文学家伽利略发明了天文望远镜时,人们终于可以对行星和恒星进行精确的观测了。关于整个宇宙的结构和历史的科学 ——被称为“宇宙学”,出现了。

整个宇宙

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我们目前对宇宙历史的理解可以从上面看到,时间从左到右。我们认为,在大爆炸发生后,宇宙急剧扩大,这就是膨胀。

我们的地球是在宇宙92亿年左右形成的。宇宙的膨胀今天仍在继续,而且还在加速。在本文中,我们将从越来越大的尺度上观察宇宙的结构,并了解一些我们理解宇宙的历史。

地球是圆的

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我们的第一站是我们称之为家的星球。地球是球形,这一认识其实是相当古老的。

大约2500年前,希腊旅行者报告说,当一个人走到遥远的北方或南方时,天空中可以看到不同的星座。敏锐的观察者也会注意到,在月蚀期间,地球所投射的阴影有一个圆形的边缘。几个世纪后,学者埃拉托色尼通过记录太阳在相距几百英里的地方投射的阴影的长度的差异来估计地球的大小。

通过假设太阳离地球如此之远,其光线是平行的,埃拉托色尼可以用简单的几何方法来计算地球的周长。尽管他的测量不是很准确,但与真实数据相差不超过几个百分点。

地球是个行星

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现在我们回到太阳系内部来观察地球。早期关于太阳、地球和行星运动的观点源自神学、占星术和哲学上的概念,即上帝必须如何命令世界。

波兰天文学家尼古拉斯·哥白尼在15世纪中叶提出地球绕着太阳转,而不是像基督教领袖所教导的那样,太阳绕着地球转,这引起了轩然大波。几个世纪以来,行星被认为是可移动的,因为它们被嵌在嵌套的“水晶球体”中,围绕着中心点旋转。

然而,在16世纪,人们注意到彗星的运动方式会使它们撞穿那些水晶球。取代球体是“外壁”的概念,圆圈叠加在圆圈上,在数学上相互影响,产生观测到的行星运动。

最后,在1609年,德国数学家约翰内斯·开普勒发表了他的行星运动理论,该理论认为,太阳系中的天体运行的轨道呈椭圆形而非圆形。

行星是世界

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从人类史前的最早时代开始,整个宇宙被认为只包含肉眼可见的元素:地球、月球和太阳,以及被称为“行星”的五个光点,还有一个遥远的球体,在这个球体上嵌入了恒星和银河系的发光带。

占星术和后来的天文学理论被用来解释这些天体的运动,但它们的真正性质只能猜测。1609年,意大利天文学家伽利略最终将一台粗糙的望远镜对准天空,他发现这些行星是另一个世界。其中的几个世界被发现有自己的卫星。

在望远镜的帮助下,先前未知的行星在我们的太阳系中被发现:1781年天王星和1846年海王星。有了望远镜,我们就可以研究更小的天体,如彗星和小行星,以及遥远的天球上的恒星和星云。

星星是太阳

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17世纪,伽利略发明了望远镜,开普勒发现了运动定律,这促使人们认识到,恒星就像太阳,都遵循着同样的物理定律。在19世纪,光谱学——研究物体发出的光的波长——使得研究恒星构成的气体成为可能。

科学家们在19世纪还发现了如何测量到恒星的距离。当从不同的视角观察一个物体时,这个物体就会相对于较远的背景发生变化。这种变化被称为“视差”。当地球围绕太阳运行时,它为观察恒星提供了一个不断变化的有利位置。由于恒星比我们太阳系的天体远得多,视差位移非常小,很难测量。

德国数学家、天文学家弗里德里希·贝塞尔是第一个成功测量了天鹅座61星视差的人,他估计这颗恒星离地球的距离为10.4光年。(后来的估计将这个距离调整为11.4光年。)

星系由暗物质约束在一起

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我们的银河系的布局很难从我们的有利位置来确定,因为我们的太阳系是被嵌入到整个银河系之中的。通过研究遥远星系的形状并仔细测量我们在我们自己的星系中看到的物体,我们推断我们的星系是一个条状螺旋星系。

一个由恒星(和一个巨大的黑洞)组成的中心棒状核心被螺旋形的手臂包围着,同样由恒星、气体和尘埃组成。我们太阳系位于主要的螺旋臂之间延伸的一个分支。天文学家对旋臂的确切结构仍有争议,但最近的一项调查发现,我们的银河系有两个主要的旋臂,它们向外分出四个分支。

我们星系的旋臂被认为是一种密度波,它围绕着扁平的圆盘运动。物质聚集在一起,恒星沿着手臂形成。星系中所有的东西都围绕着它的中心运行,而这些旋臂不是固体结构。我们的太阳系在绕轨道运行时,不断地进出旋臂

在研究星系的旋转时,我们注意到它们并不像我们预期的那样旋转,而是基于我们所能看到的物质的引力。瑞士天文学家弗里茨·兹威基在1934年提出,一定存在大量的看不见的或“暗的”物质,这使得螺旋星系比它们表面看起来更大

从那时起,天体物理学家就一直在寻找暗物质,经常推测它可能是由我们在地球上所知道的奇异粒子组成的。目前的估计显示,我们的宇宙主要是由未知形式的暗物质和暗能量组成的,而我们熟悉的物质只是宇宙的一小部分。

星系由恒星构成

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银河系是横跨天空的一条微弱的光带,在历史上一直为人所知。直到17世纪伽利略用望远镜研究银河系时,才发现了它的真正性质,并确定这条带子是由大量的恒星组成的。在天空中可以看到小而模糊的光点,这些被称为星云。

到18世纪,人们推测银河系是一个由恒星组成的巨大系统,它们被重力束缚在一起,但星云的性质仍然未知。它们可能是银河系内部的小气体云,也可能是银河系外部的气体云。无法证明银河系是否构成了整个宇宙。

美国天文学家埃德温·哈勃利用加州威尔逊山天文台新近建造的100英寸望远镜,研究了一种名为造父变星的恒星。造父变星发出的光和暗的模式与它们固有的亮度有关,这使它们适合作为估算宇宙距离的准绳。在1925年的一篇论文中,哈勃得出结论,一些星云位于银河系之外,它们本身就是巨大的星系,揭示了一个比我们自己的星系大得多的宇宙

庞大的组织

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在19世纪下半叶,人们首先注意到,在处女座中有一大群星云。后来人们发现,这些星云是银河系外的独立星系。

一百年后,天文学家推测,这些星系的明显排列可能预示着更高层次的宇宙结构,被称为“总星系”或“超星系团”。1982年,天文学家R. 布兰特·塔利发表了一篇关于超星系团成员星系距离的分析,表明它们确实是一个更大的组织的一部分。

距离的确定是注意到来自星系的光谱的红移。

空间中最大的结构

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我们所知道的最大的结构是银河细丝——也称为超星系团复合体——它们包围着空间中的巨大空间。细丝中的星系被引力束缚在一起。

1989年,玛格丽特·盖勒和约翰·赫克拉发现了第一个结构,被称为“长城”。更大的结构——”斯隆长城”,于2003年被J. Richard Gott III和Mario Jurić发现。

目前对宇宙大尺度结构的研究利用了红移巡天(如斯隆数字天空调查)收集的数据。这些努力使用数码相机传感器来拍摄天空的区域,捕捉数以百万计的遥远物体,以及在三维空间中绘制它们所需的数据。

我们能看到的最远的地方

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可观测的宇宙是我们能探测到的一切。它是一个直径930亿光年的球体,以地球为中心。我们不能同时感知整个宇宙,因为光速与宇宙的巨大规模相比是缓慢的。

当我们眺望太空时,我们看到的是历史上越来越早的物体。而且,由于宇宙的加速膨胀,遥远的物体比我们想象的要远得多。例如,尽管宇宙本身只有137亿年,但据估计,可观测宇宙的边缘距离约为460亿光年

宇宙的真实范围是未知的。它可能比可观测的宇宙大得多——甚至可能是无限的。然而,来自最遥远地区的光永远无法到达我们,因为它必须穿越的空间扩张得太快。

我们目前对可观测宇宙的描述很大程度上归功于美国物理学家艾伦·古斯,他在20世纪80年代研究出了一个类似于我们自己的宇宙是如何从创造它的大爆炸事件中诞生的。

接下来,我们将把时钟重置为0,看看宇宙是如何从开始到现在演变的。

大爆炸:13750000000年前

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20世纪初,比利时天文学家和天主教牧师乔治·勒梅特计算出宇宙正在膨胀。从数学上讲,宇宙膨胀是向后的,他认为宇宙中的一切都必须被压缩成一个小而致密的物体,他称之为“原始原子”。

这个原子爆炸了,天文学家弗雷德·霍伊尔轻率地称之为“大爆炸”。宇宙的膨胀解释了为什么来自遥远物体的光会移向光谱的红端,这种现象被称为“红移”。

就像多普勒效应导致移动的车辆发出声音来改变音高一样,红移也会导致移动的恒星发出的光随着空间的扩张而改变颜色。物体离地球越远,干涉的空间就越大,物体的光线就会越向红色移动。

美国天文学家埃德温·哈勃后来通过观察证明红移确实与距离有关,这种关联现在被称为哈勃定律

一秒钟的最早部分

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20世纪70年代的天文学家对早期宇宙的理解有困难。当他们用射电望远镜探测深度空间时,他们发现了微弱的微波背景辐射。

微波信号密度的变化被解释为宇宙早期物质密度的变化。令人惊讶的是,辐射的背景光在各个方向上都是均匀的。这似乎不合理,科学家们希望找到不同密度和温度的空间区域,因为这些区域似乎相距太远,无法共同进化。

美国物理学家艾伦·古斯在1980年提出了一个解释。他的理论是,在大爆炸之后的一小段时间里,宇宙经历了极其迅速的膨胀。在一瞬间,它的体积增加了10^78倍(10后面跟78个0)。几乎就在那一刻,宇宙稍稍降温,被称为“暴涨”的事件结束了。

暴涨模型解释了为什么宇宙在各个方向上都是一致的:在暴涨之前,宇宙中的一切都是一起进化的。它还有其他惊人的含义:我们所能看到的太空部分,一定只是一个我们无法直接探测到的浩瀚宇宙中的一小块。

大爆炸后0.001秒至3分钟

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随着暴涨,冷却但仍然无法想象的热宇宙经历了相变。基本粒子是由一种叫做夸克-胶子等离子体的物质形成的。

大爆炸后的千分之一秒,大量的物质和反物质相互湮灭(留下今天宇宙中存在的物质)。在三分钟内,宇宙的温度下降到大约十亿度,原子可以开始形成,从最简单的元素开始:氢和氦。

早期宇宙的夸克-胶子等离子体仍然是理论性的,但也被认为是有可能的,这主要归功于一种叫做量子色动力学的理论的加入。美国物理学家默里·盖尔曼是最早提出这一理论的人之一。

基本的核粒子——质子和中子——被认为是由更基本的叫做“夸克”的粒子组成的,这些粒子除了在非常高的温度下运行外,从来没有单独存在过,就像大爆炸后的高温一样。物理学家正试图在地球上重新创造等离子体,这被认为是组成早期宇宙的物质,他们使用粒子加速器以高能粉碎亚原子粒子。

大爆炸后3分钟到379000年

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在这一时期,早期的宇宙是炎热和不透明的。从大爆炸后大约379000年开始,宇宙冷却到足以让光从物质中分离出来,自由地传播。简而言之,宇宙变得透明。这张照片显示了UDFy-38135539星系,这是迄今为止发现的最古老和最早的星系之一,它出现在宇宙大爆炸后的大约4.8亿年。

大爆炸后的1.5亿到10亿年

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20世纪60年代,荷兰天文学家马腾·施密特发现了一些奇怪的深空天体,它们在射电波长上非常明亮,他称之为“准恒星射电源”。

美国天体物理学家邱洪仪将这种现象命名为“类星体”。类星体是在20世纪50年代被一种叫做射电望远镜的大型地球天线接收到的。当施密特通过研究类星体光谱的红移来测量类星体的距离时,他发现了惊人的发现。这些天体距离地球数十亿光年,因此要想在地球上被探测到,它们必须非常明亮。

后来的研究表明,神秘的类星体是活跃的星系,它们在宇宙的早期形成。引力坍缩导致物质结合,最终形成质量相当于数十亿个太阳的巨大黑洞。

一个黑洞位于类星体的中心,收集物质并将其加热,使之成为高温等离子体,该高温等离子体可以被喷入接近光速的巨大射流中。这种光可以脱离物质而自由地传播。简而言之,宇宙变得透明。

这张照片显示了UDFy-38135539星系的想象图。

大爆炸后90亿年

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当宇宙只有3亿岁大的时候,形成了最早的恒星。它们是短暂的、超大质量的,主要由氢和氦组成,不含金属。

这些最初的恒星爆炸成超新星,并从早期太阳的残骸中产生了一代又一代的恒星。对太阳光谱的分析表明,太阳含有丰富的金属元素,因此只有经过几代恒星才能被创造出来。

太阳的能量源是一个谜,直到德国物理学家阿尔伯特·爱因斯坦在1905年指出,物质可以转化为能量,表达出来就是著名的公式E = mc²。1920年,英国天体物理学家阿瑟·爱丁顿爵士提出,太阳可能由一个核聚变反应堆提供动力,通过将氢转化为氦来产生热量和光能。

对来自太阳和其他恒星的光谱的研究证实了核聚变过程创造了构成我们世界的原子元素。

当今宇宙

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科学家们对我们宇宙的起源、历史和自然做出了令人印象深刻的描绘。然而,我们并不是什么都知道。许多悬而未决的问题仍然存在于物理学和宇宙学领域,等待我们去解决。

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