§20-5  标准宇宙学模型

一、大爆炸宇宙学的观测、实验基础

1. 星系红移的发现和哈勃定律

对于当时已经确定了距离的24个星系,哈勃(E.Hubble)观测和研究了它们的光谱,1929年他发现,这些星系的光谱线都在不同程度上向红端偏移,并且光谱线的红移量Z与发出该谱线的星系离开大家的距离D成正比,即

                   ,                 (20-20)

式中le 是在实验室里测得的某条谱线的波长,l 是被考察的星系发出的这条谱线波长的观测值;c是真空中的光速;H0 是哈勃常量,今天这个重要的常量被确定为50 ~ 80 km×s-1×Mpc-1 ,意思是离开大家1 Mpc远的星系离大家而去的退行速度为50 ~ 80 km×s-1 。理论上常使用无量纲的约化哈勃常量h0 ,定义为

                    ,              (20-21)     

近期的观测值为0.80 ± 0.17 。根据光波的多普勒效应,红移量Z与发光体的退行速度v 的关系为

                         ,                 (20-22)

将式(20-22)代入式(20-20),得

                             ,                    (20-23)

式(20-20)或式(20-23)都称为哈勃定律。

哈勃的发现表明:(1) 所有被进行这种测量的星系都在远离大家而去,宇宙中像银河系这样的星系约有500亿个,也都在远离大家而去,星系远离大家而去的运动称为退行,星系的退行明确无误地告诉大家,宇宙在膨胀。 (2) 离大家越远的星系,退行速度越大。 (3) 哈勃定律的线性规律说明宇宙的膨胀是各处均匀的,无论大家在哪个星系都会观测到其他星系退行的同样结果。这些都为大爆炸宇宙学的建立提供了重要的观测和实验论据。

2.2.7 K微波背景辐射的发现

1964年彭齐亚斯(A.A.Penzias, 1933-)和威耳逊(R.W.Wilson, 1936-)使用工作波段在7.35 cm的低噪声微波天线接收卫星信号时,发现了一种来自外空间的辐射,这种辐射相当于温度在2.5 ~ 4.5 K之间的黑体辐射。经进一步研究发现,这种辐射充满宇宙各处,具有高度各向同性,是宇宙中的微波背景辐射,并非常精确地符合温度为(2.736 ± 0.016) K的黑体辐射谱。

微波背景辐射的发现有力地支撑了宇宙的各向同性且均匀的大尺度特征,肯定了宇宙的早期热历史,这不仅为宇宙大爆炸理论提供了观测和实验依据,同时也为探讨宇宙整体物性演化开启了大门。

3. 宇宙原初状态下轻核素的含量

对宇宙中各类天体的物质测定发现,在所有物质中, 的含量都占24 % 左右,远远高出恒星演化过程中由于氢核聚变反应生成的 量。如果 完全是通过恒星核过程产生的,那么在宇宙中必定存在 的质量百分比明显低于24 %的区域,而实际测量从未发现这样的区域。太阳在百亿年中生成的 不足5 % 。所以,用恒星热核反应的机制是不能说明如此高且大致等量的 含量的。

这里所说的原初状态,是指没受到恒星核过程影响的、由宇宙自身演化的状态。宇宙中 的含量是受其他因素影响不大的量,是代表宇宙特征的一个极好的重要物理量。

根据大爆炸宇宙学的核合成理论,在宇宙绝热膨胀过程中,宇宙的温度不断下降,当温度降低到109 K时,中子与质子相碰撞通过下面的过程大量生成氘核D:

                      n + p ® D + g .                  (20-24)

氘核与氘核相碰撞就十分有效地生成氦核 。自由中子是不稳定的,寿命只有888.6 s,约为15 min,最后衰变为一个质子、一个电子和一个反中微子,即

                          .                  (20-25)

核内,中子是组成核的稳定粒子。躲进 核的中子得到了庇护,才有了大家今天丰富多彩的物质世界。生成 核的过程持续了大约3分钟,生成的氦约占物质总量的1/4,余下的质子自然就是氢核,约占物质总量的3/4,其他核素的总量只占不足百分之一。这与对天体的实际测量结果相吻合。

    随后人们又根据大爆炸宇宙学的核合成理论,计算了 的含量,也与实测结果相吻合。这不能不说是大爆炸宇宙学的巨大成功。

       
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