天文之书

作者简介

高爽，北京师范大学天文系讲师，从事天文学教学和银河系结构与演化研究工作。2011年获德国海德堡大学自然科学博士学位，2011-2014年于中国科学院国家天文台从事博士后研究。 吉姆·贝尔博士，现为亚利桑那州立大学地球和空间科学学院教授，及康奈尔大学天文系兼职教授。作为行星学会主席，在自然科学和空间探索领域，他是一位活跃、多产的公众讲述者，赢得2011年美国天文学会颁发的卡尔·萨根奖。吉姆·贝尔现身大量的广播和电视节目，包括美国全国广播公司《今日秀》和美国公共电视网的《新闻时刻》，以及《探索》、《国家地理》和《历史》等有线频道的众多节目。吉姆·贝尔另著有《来自火星的明信片》、《火星3D》和《月球3D》等作品，参与美国宇航局自动化探索任务如近地小行星交会任务、火星探路者号、火星勇气号、机遇号和好奇号火星车，以及月球勘测轨道器。为了表彰他的贡献，主带小行星8146号命名为吉姆·贝尔星。

内容简介

大爆炸 用图像来描绘宇宙的开端，与理解这些理论一样 不容易。在这里，一位艺术家别出心裁地捕捉到这样 的灵感为我们绘出右面的附图：这场大爆炸被另一个 三维宇宙的撞击所激发，而今它已经隐藏在了更高的 维度里。 要全面地看待天文学的历史，最好是从一个真正 的开端着眼——空间与时间两者的双重起点。以埃德 温·哈勃为代表的20世纪天文学家们，观测到我们所 见的任何方向上的全部星系都正在彼此远离。诸如这 样的大尺度结构，让天文学家们发现了宇宙正在膨胀 。这意味着，越是追溯到过去的宇宙，尺度越小。可 以想见，在遥远的过去的某一点，一切都发源于一个 空间和时间的单个的点，我们称之为“奇点”。在哈 勃空间望远镜和其他设备年复一年的仔细观测中，一 个这样的事实被揭示出来：宇宙诞生于一场猛烈的爆 炸，这一切发生在距今138亿年前的奇点。 天文学家们在20世纪30年代将这一学说命名为“ 大爆炸理论”。利用几十年间的天文观测、实验室试 验和数学模型，致力于研究宇宙的起源与演化的宇宙 学家和天文学家们，反复严格检验了大爆炸理论的细 节。从这些研究中，我们已经了解到关于我们这个宇 宙的早期历史。令人印象深刻的结果是：在宇宙存在 的第一秒钟之内，温度从一千万亿度下降至“仅仅” 一百亿度；并且由原初的等离子体中形成了宇宙今天 储备的全部质子(氢原子)和中子。到宇宙只有3分钟 大的时候，氦与其他轻元素都已经在核合成的过程中 由氢元素形成了。同样的核合成过程，今天还在恒星 的内部发生着。 空间和时间两者尽在138亿年前的一瞬间被创造 出来，思考这一问题足够令人脑洞大开。是什么造成 的这场大爆炸？大爆炸发生的时间之前存在着什么？ 宇宙学家告诉我们，这样的问题是没有意义的，因为 时间本身就是大爆炸创造的。略显振奋的是，我们意 识到我们每个人身体中存在的最丰富的元素——氢— —全部产生于宇宙最早的一秒钟里。我们是如此古老 的存在！■ 再复合时代 美国宇航局威尔金森韦伯各异向性探测器(WMAP) 卫星生成的宇宙早期膨胀之后残损热量的不均匀性分 布图。这里见到的小起伏只有l度的亿分之几，却是 宇宙中第一代恒星和星系的种子。 宇宙的早期是一个炙热、高压、充满辐射的时代 。整个空间都沐浴在原初的光芒里。这光芒来自百万 度环境中高度电离的原子和亚原子粒子的相互作用、 碰撞、衰变和重组。宇宙历史上的这一时期通常被称 之为辐射时代。此时的宇宙大约1万岁，空间的膨胀 和许多高能粒子的衰变将宇宙冷却至“仅仅”约 12000K(开尔文，Kelvin，高于绝对零度的温度)。物 质的质量在物理学家爱因斯坦的著名公式E=mc2中表 示为所蕴含的能量。随着宇宙持续冷却，这时来自加 热和电离辐射的总能量已经低于物质质量所代表的能 量，这是宇宙历史的关键门槛。在数十万年间，宇宙 本质上依然是一团不透明、致密、高能的混沌，内部 满是碰撞着的和已经电离了的质子与电子。但是随着 空间持续膨胀和冷却，辐射能量继续下降到与静止质 量代表的能量可比的程度。 大约在大爆炸的40万年后，温度下降到只有几千 K。这一温度已经低到稳定的氢原子可以捕获住电子 ，并允许宇宙形成最早的多原子的氢分子：氢气或H2 。宇宙早期历史中的这一时期被称之为再复合时代。 再复合时代最酷的事是使宇宙剩余的辐射(大部 分是高能光子和其他亚原子粒子)从物质中分离，最 终在空间中畅通无阻地旅行。在接下来的几亿年里， 宇宙越来越冷，也越来越暗。这一时期被宇宙学家命 名为“黑暗时代”。宇宙早期释放的辐射能量残存的 3K余晖，即我们所称的宇宙微波背景，今天依然能被 探测到。■ P1-2