宇宙中的重大事件在一幕一幕上演
137亿年以前,宇宙发生了大爆炸(美国宇航局空间探测器测得的宇宙年龄为137亿年),这是人们能够想象的最大的爆炸,从此宇宙由黑暗变成了光明,宇宙空间迅速膨胀,宇宙中的重大事件一幕一幕上演,宇宙中千姿百态的星空奇迹一个一个展现。
宇宙在大爆炸中“重新诞生”无疑是宇宙重大事件的第一幕,也是最轰轰烈烈的一幕。宇宙大爆炸时温度达到100亿度,热得足以使每个区域都能发生核反应,宇宙由一个灼热的辐射火球填充。随着时间的推移,温度很快降低。当温度下降到10亿度时,化学元素开始形成,宇宙大爆炸产生的化学元素只有氢、氦和锂:大量的氢,少量的氦,极少的锂。温度下降到100万度时,形成这三种化学元素的过程结束。
宇宙大爆炸产生的氢、氦和锂有2×10 50吨,还产生了比这个数字大6倍的暗物质、大17倍的暗能量。这是我们接触的第一个“天文数字”。这批巨大的物质为宇宙的大发展、为宇宙创造新的奇迹奠定了“物质基础”。
宇宙的恒星时代是宇宙惊心动魄重大事件的第二幕。根据威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器(WMAP)对宇宙学参数进行的精确测量,大爆炸4亿年后,背景辐射温度才降到28.8 K,在万有引力的作用下,一团团由氢、氦和锂组成的气团在宇宙中运动,气团中形成第一代恒星;大爆炸4.7亿年后出现第一批星系。从此,宇宙过渡到最辉煌的恒星时代。天文学家们发现,微波背景辐射随着宇宙的膨胀不断变小,仍然均匀地充满整个宇宙,目前微波背景辐射峰值为2.725 K。
宇宙大爆炸发生在137亿年以前,我们现在仍然能够感受到宇宙大爆炸的信息。如果我们打开电视机,调到电视节目频道之外的空白频段,就会看到跳动的白点,就会听到“吱吱”的声音,这里就有宇宙大爆炸向我们播送的节目:微波背景辐射。它直接传播到我们家里。
恒星时代的太空充斥着数以亿计的恒星,第一批恒星的质量大都为100倍质量,恒星中心制造出大量比氦重的元素。当这些大质量恒星由于过热纷纷解体而发生超新星爆发以后,一批批比氦重的元素被抛向空间。这些比氦重的元素是产生行星的原材料。不久,行星就出现了。
0.8~7.8个太阳质量的恒星数量非常巨大(天文学家们普遍认为,7.8个太阳质量是恒星超新星爆发的临界质量,小于临界质量的恒星不会发生超新星爆发),是产生比氦重的化学元素的主力军。恒星核心的温度最高,压力最大,“氢聚变成氦”“氦聚变成碳”等的核反应进行得很顺利,非常稳定。小质量的恒星,包括我们的太阳,它们没有足够的质量使碳产生核反应。而那些质量较大的恒星中心温度提高到6亿度左右时,将引发碳的核反应、氧的核反应……甚至几种核反应同时进行。类似的过程在较大质量的恒星中继续下去,一直到产生稳定的铁元素为止,而重于铁的元素几乎都是超新星爆炸时合成的。观测表明:超新星1006遗迹中,铁的丰度高得惊人。(请看超新星章节)
经过几次核反应,产生比氦重的元素有碳、氮、氧、镁、铝、硅、磷、硫、钙、钛、铁等,这些元素产生的次物质有一氧化碳、石墨(包括钻石)、碳化硅、氧化铝、氧化钛以及含有钙、镁、铁的硅酸盐等。恒星们死亡或“氦闪”之类剧烈活动的时候,这些物质和没有用完的大量的氢将会被撒到空间,形成尘埃云,然后再组成新一代的恒星、行星。
耐人寻味的是,就连地球上的黄金、稀土元素、地球上的人类生命的五大基本元素(氢、碳、氮、氧、磷),也是恒星中心和超新星爆发制造出来的。恒星中心制造化学元素是宇宙的重大事件之一。(请看“元素周期表上的物质从哪里来”一节)
恒星时代初期,我们的宇宙非常清亮。大爆炸7亿年以后就有了星际尘埃。很快,尘埃物质布满全宇宙,使我们的宇宙暗淡了、浑浊了。 大爆炸70亿年以后,在暗能量的推动下,宇宙加速膨胀。暗能量在宇宙万物中的比例高达73±4%,它主宰整个宇宙的膨胀。这个神秘的、巨大的暗能量作为一种斥力,推动宇宙加速膨胀,使宇宙每100亿年胀大一倍。一直到现在,宇宙还在加速膨胀。
恒星系统中的行星上出现生物也是一次重大事件。人们最愿意看到的是外星人。恒星时代是生物进化的最佳时代。有人认为,宇宙到处爬满了生物。
太阳系在气体云团中形成
宇宙大爆炸87亿年以后,太阳形成了;91亿年以后,太阳的八大行星、三大矮行星、143颗大卫星以及太阳附近的其他天体先后形成,组成了太阳系。太阳系的形成,对于地球人来说无疑是个重大事件。太阳系是怎样形成的呢?太阳系的形成有三种假说:
1.拉普拉斯星云假说:太阳系是在一个旋转着的气体云团中形成的,气体云由氢、氦和尘埃组成。这个气体尘埃云,在旋转的过程中,中心部分体积不断缩小,密度不断增加,压力不断增大,产生核聚变,最终形成了太阳。气体尘埃云的外层,我们称它“原始行星盘”,在旋转的过程中,形成许多互相扰动的旋涡。旋涡彼此相遇,大约经过4亿年的演化,最终形成大小不同的八大行星,所以,行星都是同龄的。同时,太阳系形成的过程中,在电磁场的作用下,太阳巨大的角动量转移到了行星。木星的角动量占太阳系总角动量的60%,土星的角动量占太阳系的25%。木星和土星的质量只占太阳的1/800。“拉普拉斯星云假说”是行星系统在太阳形成时必然发生的结果。
巨蛇座M16星云的外形像一只展翅飞翔的雄鹰,所以又称鹰状星云。让人关注的是M16柱状物,柱高约2000万亿千米,距离地球7000光年。在乌黑的柱体上,新恒星在那里形成。在图1.2左画白圈的柱顶区域,有一颗新形成的恒星E42,它的大小、化学成分都与太阳相似。它刚刚点燃氢燃料,天文学家们正在关注它的形成和演化。(白圈的中心部分就是E42恒星。)P1-4