宇宙的一生

缘起

宇宙大爆炸

BOOM !!!

BOOM !!!

BOOM !!!

真实情况是...

大爆炸开始于距今137.99 ± 0.21亿年前

10^-37秒后进入暴涨时期,宇宙空间呈指数级暴涨

10^-11秒后,粒子能量降低到高能物理实验可以观测的范围

10^-6秒后,夸克和胶子结合为质子和中子

几分钟后,温度10亿度,密度海平面空气的密度,形成了氕氘氦原子核。

37.9万年后,电子和原子核结合,形成原子。

就在这时……

上帝说: 要有光!

37.9万年后,电子和原子核结合,形成原子。

就在这时……

光子摆脱了物质的束缚,开始在宇宙中漫游,这就是宇宙最初的光

宇宙微波背景辐射

5.5亿年后,宇宙中局部密度较高的区域因为引力作用,开始形成第一批恒星。

恒星中的高温高压导致核聚变,合成更重的元素(氧碳氖铁最多,最重可以合成铁。)

第一代大约10万年后就会超新星爆发,形成黑洞。抛射出的物质就是后续恒星的物质来源

超新星爆发是比铁更重的元素的唯一来源。

大约距今46亿年前,我们的太阳出生了。而1~2千万年后,地球诞生了。

太阳每秒钟将大约6亿吨氢聚变成氦,并在此过程中将400万吨物质转化为能量

随着氢元素的消耗,太阳的核心不断收缩,温度不断升高。每一亿年,太阳的亮度增加1%。而10亿年后,太阳的温度将足以蒸发地球上所有的水。

大约50亿年后,太阳核心的氢元素即将耗尽,将转变为红巨星,可能吞噬水星和金星。亮度达到目前的1000倍。

大约10亿年后,太阳在红巨星阶段损失了1/3的质量后,将会在一次剧烈的氦闪中,将核心中的氦在几分钟内聚变为碳元素。大小缩小到目前的10倍左右,亮度是目前的50倍。

太阳进入热脉冲阶段,每10万年会有几百年亮度和大小增加,后期的亮度达到目前的5000倍,太阳的半径将会达到 1 AU。而地球的轨道也已经退到 1.5 AU附近。

太阳在经历了大约4次热脉冲后,太阳核心的温度达到了30,000度,太阳一半的质量被抛出,形成行星状星云。

而裸露的核心变成一颗白矮星,质量只有目前的54%左右。表面温度会达到100,000度

1万年后,星云物质会消失。而剩余的白矮星将会存活万亿年,而后变成黑矮星。

而在这之前,我们的银河系迎来了一场重大的变故……

仙女座 · 银河系大碰撞

仙女座星系和我们的银河系都是一个更大的天体结构——本星系群的一部分。

本星系群直径有1000万光年,包含了大约50个星系,质心位于银河系和仙女座星系之间。他们两个也是本星系群中最大的两个星系。

本星系群又是一个更大的天体结构——室女座超星系团 的一部分

根据科学家的计算,大约40亿年后,仙女座星系有可能会和银河系相撞。

经过大约70亿年后,两个星系将会合并为一个更大的椭圆星系

你能想象这将是一场多么轰轰烈烈的相遇吗?

其实,宇宙太大了,我们想象中的碰撞其实根本不会发生。这个碰撞可能对我们的太阳系的影响都微乎其微。

再说,那时候太阳已经变成红巨星了,我们的地球最理想的情况下,也应该已经出去流浪了。

后面的故事还很长……

走向终点

越大的恒星燃烧的越快,寿命也就越短。

最先消耗殆尽的是“大质量恒星”,≥ 10倍太阳质量。

大质量恒星会在数百万(10^6)年中耗尽自己的燃料,经历 Ib, IC, II型超新星爆发,最终坍缩为中子星或黑洞

蟹状星云是一颗恒星爆炸粉碎成为超新星之后的残骸,它的光辉在公元1054年抵达地球。

极少数特别巨大的恒星(≥ 100 M☉)会在超新星爆发中完全消失,产生的星云是下一代恒星的摇篮。

中等质量恒星(≥0.8M☉, ≤10M☉)和太阳的生命过程类似,他们大约有100~110亿(10^10)年的寿命

会经历 黄矮星 -> 红巨星 -> 行星状星云 -> 白矮星  -> 黑矮星 的演化过程。

低质量恒星(≤0.8M☉)大约能够存活6~12兆(10^13)年。最终直接演化为白矮星

这些都是科学家的预测,因为我们的宇宙年龄太小,至今还找不到任何成年的红矮星。

科学家预测,白矮星可能可以存在1000兆(10^15)年。

没有人知道黑矮星存不存在,以及它能够存在多久。

10^10年后,宇宙继续加速膨胀。从现在地球的位置仰望星空,将一片漆黑,只剩一个可见的星系——银河-仙女座星系。

10^14年后,恒星和星系的形成将完全停止,恒星们相继死亡。宇宙中将只有少数白矮星和棕矮星发出的微弱光芒

10^16年后,宇宙继续膨胀,引力扰动导致天体脱离原有轨道,开始渐行渐远。

10^36年后,一半的质子衰变为轻子和伽马射线。

10^40年后,质子衰变殆尽,宇宙中只有两种物质:黑洞 和 轻子

因为霍金辐射的存在,黑洞也会逐渐蒸发。

10^100年~10^150年后,黑洞也蒸发殆尽。宇宙进入黑暗纪元。宇宙中将只剩下轻子和光子。

10^1000年……

热寂!

这一切是怎么来的?

哈勃定律

  • 1929年,美国天文学家哈勃通过计算发现宇宙天体星光的红移和他与地球的距离成正比

我们是宇宙的中心?

宇宙论原则 (宇宙学原理)

  • 在大尺度下,宇宙是均匀的且各向同性的
  • 我们地球在宇宙中的位置并不特殊      -- 《哥白尼原则》

大爆炸理论

  • “大爆炸”这个名字也是詹姆士·金斯起的
  • 假设宇宙在时间上有起源
  • 时间维度上宇宙不完美,即在宇宙的早期,我们现在已知的物理定律可能并不适用。

稳恒态理论

  • 无论我们从任何位置,任何时间观察宇宙,宇宙总是呈现相同的属性   -- 《完美宇宙学原理》
  • 物理学家詹姆士·金斯在1920年代提出
  • 假设宇宙中不断产生新物质,在符合哈伯定律与广义相对论的前提下,宇宙仍然可能保持稳定。

Note

  • 直到其后的某个时刻,一种未知的违反重子数守恒的反应过程出现,它使夸克轻子的数量略微超过了反夸克和反轻子的数量——超出范围大约在三千万分之一的量级上
  • 温度是什么?K, eV,太阳系边界
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