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暗物质与宇宙模型:8有序无限循环时空宇宙模型

已有 239 次阅读 2022-9-20 07:59 |个人分类:暗物质|系统分类:论文交流

8. 有序无限循环时空宇宙模型

8.1 引言

任何没有循环机制的宇宙模型最终都会落入稳恒态。目前任何宇宙模型都没有建立良好的循环机制。

任何稳恒态的宇宙模型一定有自己的循环机制,否则将陷入死寂,尤其没有氢气再生机制的宇宙模型是有悖事实的模型。氢气再生与循环机制是宇宙模型最核心问题。

因此,建立有序无限循环时空宇宙模型,该模型是绝对无限的宇宙空间,充满着各式各样的物质,物质的形态各异、体型各异。由于万有引力存在,物质自身质量和相互间距差异而产生不同的相互作用,物质的密度整体与局部均显现为一定的不均匀,且均有序运动。在可见物质和暗物质共同作用下,通过恒星不断演化,氢元素不断聚变成较高原子量元素,又通过一定的再生机制生产氢元素,实现有序有限循环。

8.2 宇宙可观察尺度

目前,对于宇宙具体的形状和大小数据存在分歧,但是至少对于一点可以进行非常精确的计算,那就是可以看多远。事实上所能观察到最遥远的星系的距离达到了465亿光年。地球并非居于宇宙的中心,但是确实居于可观测宇宙的中心,这是一个直径约为930亿光年的球体。

实际上465亿年以前,这些星球就已经位于465亿光年的位置上了。也就是说465亿年以前,可观测到的宇宙就有930亿光年那么大了。

迄今,所能观察到最遥远的星系距离地球465亿光年。探测宇宙能力将不断进行,不远的将来,所探测的宇宙范围能达到千亿光年、万亿光年。然而无论探测距离有多远,还有更远的空间无法探测。宇宙是没有边界的,所谓的边界是所探测能力的边界。

8.3 宇宙起源

这是从2000多年前的古代哲学家到现代天文学家一直都在苦苦思索的问题。经过了哥白尼、赫歇尔、哈勃的从太阳系、银河系、河外星系的探索宇宙三部曲,宇宙学已经不再是幽深玄奥的抽象哲学思辨,而是建立在天文观测和物理实验基础上的一门现代科学。直到20世纪,出现了两种宇宙模型比较有影响。一是稳态理论,一是大爆炸理论。

                                             

8.1 大爆炸宇宙学图解

大爆炸宇宙学的主要观点是认为宇宙曾有一段从热到冷的演化历程(见图8.1)。在这个时期里,宇宙体系并不是静止的,而是在不断地膨胀,使物质密度从密到稀地演化。这一从热到冷、从密到稀的过程如同一次规模巨大的爆发。在宇宙的早期,温度极高,在100亿度以上。物质密度也相当大,整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。但是因为整个体系在不断膨胀,结果温度很快下降。当温度降到10亿度左右时,中子开始失去自由存在的条件,它要么发生衰变,要么与质子结合成重氢、氦等元素;化学元素就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到100万度后,早期形成化学元素的过程结束。宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度降到几千度时,辐射减退,宇宙间主要是气态物质,气体逐渐凝聚成气云,再进一步形成各种各样的恒星体系,成为今天所看到的宇宙。

大爆炸理论认为,宇宙起源于一个单独的无维度的点,即一个在空间和时间上都无尺度但却包含了宇宙全部物质的奇点。至少是在120150亿年以前,宇宙及空间本身由这个点爆炸形成。在一次无与伦比的大爆炸中分裂成无数碎片,形成了今天的宇宙。

德国物理学家克劳修斯指出,能量从非均匀分布到均匀分布的那种变化过程,适用于宇宙间的一切能量形式和一切事件,在任何给定物体中有一个基于其总能量与温度之比的物理量,他把这个物理量取名为,孤立系统中的永远趋于增大。但在宇宙中总会有高和低的区域,不可能出现绝对均匀的状态。那种认为由于水平的不断升高而达到最大值时,宇宙就会进入一片死寂的永恒状态,最终热寂而亡的结局,当宇宙膨胀到一定程度,所有星系行星会疏离,分子分解至夸克,而至更小。整个宇宙继续膨胀,变成死寂状态,这是不合理的。

宇宙至今仍存在,一定存在着自我循环与再生机制。那么大爆炸必须是可循环的,一些科学家认为宇宙将再变成一个高密度、小体积的球体。缩小到一定程度后,将再次发生大爆炸。根据能量守恒定律,宇宙的能量并没有消亡。但是,却没有人能解释,大爆炸每次循环时间、空间、分子结构等。另外,物质汇集到一个奇点上是如何进行的;在宇宙起源之前是什么状态,这些都无法解释。而且,任何物质都是占有空间的,即不占有空间的物质是不存在的,那么就不存在密度无穷大的奇点。

1929年,美国天文学家哈勃根据星系的观测得到了红移量与星系间的距离成正比,哈勃定律的物理宇宙论陈述为来自遥远星系光线的红移与他们的距离成正比,而并非是与所谓的退行速度成正比。种种自然现象、物理实验表明多普勒效应为在阻尼相同的条件下红移与传播距离成正比,而非与速度成正比。

1964年,美国工程师彭齐亚斯和威尔逊探测到波长为7.35厘米的微波噪声,认为是3K的微波背景辐射,然而这种辐射不是来自宇宙,而是无法屏蔽的,到处都存在的正反粒子偶极子的辐射。

目前大爆炸理论认为宇宙年龄约为138.2亿年,然而,宇宙最大直径竟有930亿光年,以地球为中心的可观测宇宙半径有465亿光年。也就是说,在465亿年前,它已经就在距离地球465亿光年的位置上,用大爆炸理论不能做出合理解释。

因此,大爆炸理论是不合理的,而宇宙没有年龄,没有开始,也将没有尽头。

8.4 宇宙内的星系

8.2 美国宇航局哈勃空间望远镜获得的最深邃的影像

8.3 美国宇航局哈勃空间望远镜获得的完整图像

8.2是美国宇航局哈勃空间望远镜获得的最深邃的影像之一。哈勃望远镜对准天空中的一小块区域进行长时间的曝光——长达数月,尽可能地捕获每一个暗弱的光点。图8.3为一完整的图像,其中包含有1万个星系。随着对于宇宙尺度的测量精度的不断提高,将很快找到一种绝佳的描述宇宙中遥远天体距离的方法。

在距离地球比较近的空间内,在距离地球约10亿光年的距离内存在一个超星系团的海洋。这些是被引力作用聚集在一起的大量成员星系。银河系本身是室女座超星系团的成员,这个超星系团正位于这张图像中中央位置。在这个巨大的超星系团结构中,银河系毫无特别之处,它只是位于一隅之地的普通成员星系而已。在这一宏伟结构中占据统治地位的是室女座星系团,这是一个由超过1300个成员星系组成的庞大集团,其直径超过5400万光年。另一个超星系团是后发座超星系团,它的位置恰好位于北方巨壁(Northern Great Wall)的中心位置。北方巨壁是一个大到令人难以想象的巨型结构,其直径约有5亿光年,宽度约3亿光年。星系附近最大的超星系团是时钟座超星系团,其直径超过5亿光年。

8.4 最遥远的天体

8.4 中间部位那个不太显眼的模糊光点事实上是一个星系,距离地球315亿光年。

8.5星系蝴蝶图

宇宙中的星系分布并非呈现随机状态,由于引力的作用,星系倾向于相互接近,从而形成规模巨大的聚合体,如星系团,超星系团,大尺度片状结构乃至所谓的巨壁。天文学家们开始着手纪录这些星系在三维空间中的位置,他们很快成功地制作出较近距离范围内星系的三维分布图。大部分此类巡天观察都将注意力集中在距离地球70亿光年之内的范围,但他们在此过程中也发现了许多类星体,这是宇宙中亮度惊人的奇特天体,其距离可能是70亿光年范围的4倍以上。在全部这些努力中,斯隆数字巡天(SDSS)可能算是规模最大的一个。参与这一项目的天文学家们目前已经基本完成对1/3天空的巡天观察,并在此过程中记录下超过5亿个天体的精确位置信息。图8.5来自另一项巡天计划,这是目前规模位居第三的巡天项目。这张图像中之所以会缺失很多地方,是因为银河系的阻挡,很多天区都无法进行观测。

8.6 宇宙之网

8.6是一份计算机模拟的宇宙所呈现的纤维网状结构,其中分布着节点,纤维带和层。这种复杂结构的起源来自宇宙微波背景辐射中微小的涟漪,这是其中密度微小变化的体现。星系巡天的结果显示宇宙似乎显示一种泡沫网状结构。几乎所有的星系都分布在狭窄的纤维带上,而在它们的中间则是巨大的空洞,天文学上称为巨洞

宇宙中包括可见物质和暗物质,可见物质主要是氢、氦、锂、铍等元素,而暗物质主要是正反粒子偶极子。宇宙中大量分布着暗物质,暗物质由于可见物质的存在而表现为不均匀性,正是由于这种不均匀性形成了万有引力。在宇宙中不存在没有暗物质的空间,而暗物质粒子具有极小的质量。正是由于暗物质无处不在地存在,才使万有引力的手伸到无穷远。如果地球与地球上的物质之间、地球与月亮之间、地球与太阳之间、太阳与银河系之间、银河系与其它星系之间没有暗物质,万有引力之手是如何伸到亿万光年以外的?

8.5 恒星演变

8.5.1 恒星生成触发条件

随着计算机性能提高、数值计算技术发展,以及数以百万计的恒星观察记录,使在推测恒星形成初始机制方面、恒星形成的物理、化学环境方面以及在宇宙的历史中恒星群的位置及出现时间方面都有了较大的进展。

在最简单的假想环境中,拥有一些可见物质的恒星是独立于其它恒星,而独自形成。这种类型恒星形成过程中最初的两个阶段:首先是在一个主要由氢分子组成的星云中形成一个有边界的引力核,然后该引力核在自身引力作用下发生崩溃。在这一部分里,最有意思的一点是,如何从引力核的崩溃过程中克服气体紊流及磁场作用的影响,形成一个原恒星。还有一些人认为恒星是成群形成的,而不是单个独立形成的。若这种情况成立的话,当讨论一颗恒星的形成环境时,就要考虑到来自其周围其它星体物质的气流以及冲击波的影响。最早的恒星就是在相当紊乱的、相互影响的环境中形成的。不管恒星的年龄及周围环境如何,它们都有着类似的初始质量方程。这种一致性真是出乎意料,它表明所有的恒星有着类似的形成机制。

恒星的形成是天体物理学领域中最为基础性的问题,因为它是解答其它许多问题所必须首先解决的问题。

所有的恒星有着类似的形成机制,且均需要一个触发条件,即具有一定质量和旋转速度的星体,或若干个星体集合。当这个星体在星云内部,由于万有引力作用不断向该星体密集,另外,由于该星体高速旋转,因此,会使周围的星云的各种物质不断向该星体靠拢,并不断塌陷,形成恒星。这一物理过程涉及到了某一包含有不规则磁场的部分离子化媒介的紊乱行为。当前核心的争论主要围绕着紊乱开始消退的时间,以及磁场和紊流所起到的作用的重要程度。诸如毫米波照相机等新的技术进步使可以观察星体的温度及密度分布,并可以让统计分析在自身引力作用下正在崩溃及处于崩溃边缘的天体的寿命。恒星在任何类型及处于任何演化阶段的星系中都是普遍存在的。同时,恒星在非常广泛的环境中形成,从接近巨型的分子星云到存在于处于聚合状态的星系中的超巨型分子星云。在星系中那些有代表性的恒星都是作为恒星群中的一员而形成的,这就表明恒星的形成是发生在恒星群内部的事情,而不是一个个孤立的现象。

恒星依据质量,寿命范围从质量最大的恒星只有几百万年,到质量最小的恒星的寿命达数兆亿年。所有的恒星都从星云或分子云的气体和尘埃坍缩中诞生。在几百万年的过程中,原恒星达到平衡的状态,安顿下来成为主序星。恒星大部分的生命期都在以核聚变产生能量的状态。最初,主序星在核心将氢融合成氦来产生能量,然后,氦原子核在核心中占了优势。像太阳这样的恒星会从核心开始以一层一层的球壳将氢融合成氦。这个过程会使恒星的大小逐渐增加,通过次巨星的阶段,直到红巨星的状态。质量不少于太阳一半的恒星也可以经由将核心的氢融合成氦来产生能量,质量更重的恒星可以依序以同心圆产生质量更重的元素。像太阳这样的恒星用尽了核心的燃料之后,其核心会坍缩成为致密的白矮星,并且外层会被驱离成为行星状星云。质量大约是太阳的10倍或更重的恒星,在它缺乏活力的铁核坍缩成为密度非常高的中子星或黑洞时会爆炸成为超新星。恒星模型认为它们在耗尽核心的氢燃料前会逐渐变亮和变热,然后成为低质量的白矮星。恒星的变化非常缓慢,甚至数个世纪之久也检测不出任何变化,所以单独观察一颗恒星无法研究恒星如何演化。因此,天文物理学家采用其它替代方法,例如观察许多在不同生命阶段的恒星,并且使用电脑模拟来推断恒星结构。

8.5.2 恒星的演变

由于引力的控制,恒星演化的总趋势是密度增大,而质量丢失、碎裂、不稳定或爆炸等现象使其质量减小。恒星的演化必定以三种可能的冷态之一为终结:白矮星,中子星,黑洞。

由于单一恒星之演化通常长达数十亿年,人类不可能完整观测,目前主要以计算机模型模拟恒星的演变。恒星的演化开始于巨分子云。一个星系中大多数虚空的密度是每立方厘米大约0.11个原子,但是巨分子云的密度是每立方厘米数百万个原子。一个巨分子云包含数十万到数千万个太阳质量,直径为50300光年。

坍缩过程中的角动量守恒会造成巨分子云碎片不断分解为更小的片断。质量少于约50倍太阳质量的碎片会形成恒星。在这个过程中,气体被释放的势能所加热,而角动量守恒也会造成星云开始产生自转之后形成原始星。恒星形成的初始阶段几乎完全被密集的星云气体和灰尘所掩盖。通常,正在产生恒星的星源会通过在四周光亮的气体云上造成阴影而被观测到,这被称为博克球状体。

质量非常小(小于0.08太阳质量)的原始星的温度不会到达足够开始核聚变的程度,它们会成为褐矮星,在数亿年的时光中慢慢变凉。大部分的质量更高的原始星的中心温度会达到一千万开氏度,这时,氢会开始聚变成氦,恒星开始自行发光。核心的核聚变会产生足够的能量停止引力坍缩,达到一个静态平衡。恒星从此进入一个相对稳定的阶段。如果恒星附近仍有残留巨分子云碎片,那么这些碎片可能会在一个更小的尺度上继续坍缩,成为行星、小行星和彗星等行星际天体。如果巨分子云碎片形成的恒星足够接近,那么可能形成双星和多星系统。恒星的亮度和颜色依赖于其表面温度,而表面温度则依赖于恒星的质量。大质量的恒星需要比较多的能量来抵抗对外壳的引力,燃烧氢的速度也快得多。

恒星形成之后会落在赫罗图的主星序的特定点上。小而冷的红矮星会缓慢地燃烧氢,可在此序列上停留数千亿年,而大而热的超巨星会在仅仅几百万年之后就离开主星序。像太阳这样的中等恒星会在此序列上停留一百亿年。太阳也位于主星序上,被认为是处于中年期。在恒星燃烧完核心的氢之后,就会离开主星序。

中年期时形成红巨星,超巨星。在形成几百万到几千亿年之后,恒星会消耗完核心的氢。大质量的恒星会比小质量的恒星更快消耗完核心的氢。在消耗完核心的氢之后,核心部分的核反应会停止,而留下一个氦核。失去了抵抗引力的核反应能量后,恒星外壳开始引力坍缩。核心的温度和压力像恒星形成过程中一样升高,但是在一个更高的层次上。一旦核心的温度达到了1亿开氏度,核心就开始进行氦聚变,重新通过核聚变产生能量来抵抗引力。恒星质量不足以产生氦聚变释放热能,逐渐冷却,成为白矮星。

积热的核心会造成恒星大幅膨胀,达到在其主星序阶段的数百倍大小,成为红巨星。红巨星阶段会持续数百万年,但大部分红巨星都是变星,不如主序星稳定。

恒星的下一步演化再一次由恒星的质量决定。晚年到死亡以三种可能的冷态之一为终结:白矮星,中子星,黑洞。

8.5.3 褐矮星

褐矮星(brown dwarf)的构成类似恒星,但质量不够大,不足以在核心点燃聚变反应的气态天体。褐矮星是质量介于最小恒星与最大行星之间的天体,由于这一原因褐矮星非常黯淡,要发现它们十分复杂,因此要确定它们的大小就更加复杂。但是最近天文学家成功地发现了组成双星系统的两颗褐矮星,在确定它们围绕共同重心运行的参数之后,计算出这两颗褐矮星的重量和大小。天文学家花了12年研究才发现这两颗褐矮星,总共观察了300多个夜晚和进行了1600次测量,结果计算出两颗相当年轻褐矮星(还不满100万年)全部必需的参数,它们位于离地球1500光年的猎户星座。双星系统中较大一颗褐矮星质量超过木星50倍,而较小一颗褐矮星质量比木星大30倍,它们的直径分别为太阳直径的70%50%。尽管它们初看起来不算矮小,但是它们的质量分别仅为太阳质量的5.5%3.5%。天文学家还发现较轻褐矮星表面的温度更高些。这两颗褐矮星可能不是同时形成,也不是在同一地点形成,而是由于某种原因而结合在一起,因此它们的表面温度不同,但是这一切暂时仍只是一种假设。美国科学家利用红外线太空望远镜发现了一颗环绕恒星作轨道运行的小型褐矮星,并直接获得了它的图像。这是人类首次发现此种情景,但这种现象并不孤立。

褐矮星也被称为失败的恒星,它由于质量不足而无法成为燃烧的恒星,但其质量仍远大于太阳系最大的行星木星。天文学家在这些古怪的星体上发现了巨大的类似行星的风暴。由于褐矮星会随时间的推移冷却下来,该星体上气态的铁分子就会浓缩成液态的铁云和铁雨。随着进一步的冷却,巨大的风暴就会扫过这些云层,让明亮的红外线逃逸到宇宙中。

由于没有核聚变,褐矮星的表面温度不会超过3000K。褐矮星的温度越低,它的可见光波段的亮度就越小。M型矮星的辐射主要集中在红光波段(大约0.75μm),而温度更低的L型褐矮星(温度为1200-2000K)T型褐矮星(温度为800-1200K)的辐射则主要集中在近红外波段(1-2μm),这使得褐矮星从本质上就会变得很暗弱。另外,褐矮星外层大气中的分子,例如水、一氧化碳、甲烷和氨,会吸收向外的辐射,使得褐矮星进一步变暗。

尽管褐矮星的光谱存在着复杂性,但是化学组成仍然是可以被识别出来的,而且也可以用来对褐矮星进行分类。如今还没有直接观测到比T8型褐矮星质量更小,温度比T8型褐矮星(有效温度大约为800K)更低的天体,来衔接褐矮星和木星(大约125K)

关于褐矮星的形成机制,比较常见的有抛射理论、前恒星核的光致侵蚀理论、不透明度制约的分裂理论、原恒星盘的不稳定性理论等。抛射理论认为,褐矮星是由于低质量的原恒星胚在还没有达到产生氢核聚变所需的质量前,与其它天体发生了碰撞而被抛射出前恒星核所形成的,这一理论部分地得到了双褐矮星系统的证实。前恒星核的光致侵蚀理论基于大质量恒星的辐射对前恒星核的光致侵蚀作用,能够解释处于电离氢区中的褐矮星的形成机制。褐矮星也可能由大质量的原恒星盘在其它恒星的引力作用下发生碎裂而产生。这些理论每个都只能解释部分褐矮星的形成,研究褐矮星周围的恒星盘可以有效地检验上述理论。

褐矮星是可以发生热核反应的,只是由于不激烈所以不会发光。但其红外辐射可以占到太阳的1~2‰左右。据美国航空航天局的报道称,广域红外巡天探测器(WISE)发现了一对距离非常近的恒星,它们将成为迄今发现的距离太阳系第三近的恒星/恒星系统,也是人类自1916年以来发现的距离太阳系最近的恒星系统。这一双星系统中的两颗恒星都是褐矮星。

褐矮星上已经发现了各种不同种类元素,而褐矮星不能进行完整核聚变反应,而上面的不同元素应该为触发其聚变的星体的自身所携带的物质。这进一步验证了,恒星的诞生多数是由于一个具有一定质量和速度的星体所触发。而当质量较小、转动速度较慢、星云密度低或星云范围小等原因致使其成为失败的恒星

主要原因在于,在触发恒星吸积后,当核心质量小,尤其是转动速度小时,周围物质将接近直线或较小的角度落向星体,内层物质具有极高的速度落入后,外层的物质速度无法快速提高,造成了物质吸积过早中断,使其无法形成足够大的恒星,因而成为失败的恒星。

8.5.4 白矮星

中低质量的恒星在渡过生命期的主序星阶段,结束以氢聚变反应之后。将在核心进行氦聚变,将氦燃烧成碳和氧的三氦聚变过程,并膨胀成为一颗红巨星。当红巨星的外部区域迅速膨胀时,氦核受反作用力而强烈向内收缩,被压缩的物质不断变热,最终内核温度将超过一亿度,于是氦开始聚变成碳。经过几百万年,氦核燃烧殆尽,恒星的结构组成已经不那么简单了:外壳仍然是以氢为主的混合物,而在它下面有一个氦层,氦层内部还埋有一个碳球。核反应过程变得更加复杂,中心附近的温度继续上升,最终使碳转变为其它元素。与此同时,红巨星外部开始发生不稳定的脉动振荡。恒星半径时而变大,时而又缩小,稳定的主星序恒星变为极不稳定的巨大火球,火球内部的核反应也越来越趋于不稳定,忽而强烈,忽而微弱。此时的恒星内部核心实际上密度已经增大到每立方厘米十吨左右,此时,在红巨星内部,已经诞生了一颗白矮星。当恒星的不稳定状态达到极限后,红巨星会进行爆发,把核心以外的物质都抛离恒星本体,物质向外扩散成为星云,残留下来的内核就是白矮星。白矮星通常都由碳和氧组成,也有可能核心的温度可以达到燃烧碳却仍不足以燃烧氖的温度,这时就能形成核心由氧、氖和镁组成的白矮星。偶尔有些由氦组成的白矮星,不过这是由联星的质量损失造成的。

白矮星的内部不再有物质进行核聚变反应,因此恒星不再有能量产生。这时它也不再由核聚变的热来抵抗引力崩溃,而是由极端高密度的物质产生的电子简并压力来支撑。对一颗没有自转的白矮星,电子简并压力能够支撑的最大质量是1.4倍太阳质量,也就是钱德拉塞卡极限。许多碳氧白矮星的质量都接近这个极限的质量,有时经由伴星的质量传递,白矮星可能经由碳引爆过程而形成超新星。

白矮星形成时的温度非常高,但因缺乏能量来源,它逐渐释放热量并逐渐变冷,辐射逐渐减小并转变成红色。经过漫长的时间,白矮星将进一步冷却而成为黑矮星。

但是,白矮星往往会成为触发下一个恒星的触发星体,因此在宇宙中很难发现黑矮星。如果白矮星不能成为一个更大恒星的触发星体,那么物质循环将不可逆,宇宙中会充满黑矮星。

8.5.5 中子星

同白矮星一样,中子星是处于演化后期的恒星,它也是在老年恒星的中心形成的。只不过能够形成中子星的恒星,其质量更大罢了。当老年恒星的质量为太阳质量的8~30倍时,它就有可能最后变为一颗中子星,而质量小于8个太阳的恒星往往只能变化为一颗白矮星。但是,中子星与白矮星的区别,不只是生成它们的恒星质量不同,它们的物质存在状态也是完全不同的。

白矮星的密度虽然大,但还在正常物质结构能达到的最大密度范围内,电子还是电子,原子核还是原子核,原子结构完整。而在中子星里,压力是如此之大,白矮星中的电子简并压无法承受。电子被压缩到原子核中,同质子中和为中子,使原子变得仅由中子组成,中子简并压支撑住了中子星,阻止它进一步压缩。而整个中子星就是由中子堆积形成的,中子星的密度就是中子的密度。

中子星周围的暗物质密度极高,且存在着巨大密度梯度,因此致使经过其周边的光线都是呈抛物线。

中子星的形成过程与白矮星类似,当恒星外壳向外膨胀时,核心受反作用力而收缩。核在巨大的压力和由此产生的高温下发生一系列复杂的物理变化,最后形成一颗中子星内核。而整个恒星将以一次极为壮观的爆炸来结束生命,这就是天文学中著名的超新星爆发

中子星是恒星演化到末期,经由引力坍缩发生超新星爆炸之后,可能成为的少数终点之一。恒星在核心的氢、氦、碳等元素于核聚变反应中耗尽,当它们最终转变成铁元素时便无法从核聚变中获得能量。失去热辐射压力支撑的外围物质受引力牵引会急速向核心坠落,有可能导致外壳的动能转化为热能向外爆发产生超新星爆炸,或由于质量的不同,恒星的内部区域被压缩成白矮星、中子星。白矮星被压缩成中子星的过程中恒星遭受剧烈的压缩使其组成物质中的电子并入质子转化成中子,直径大约只有十余公里,且旋转速度极快,而由于其磁轴和自转轴并不重合,磁场旋转时所产生的无线电波等各种辐射可能会以一明一暗的方式传到地球,有如人眨眼,故又称作脉冲星。一颗典型的中子星质量介于太阳质量的1.352.1倍,半径则在1020km之间,也就是太阳半径的3000070000分之一。

由于中子星保留了母恒星大部分的角动量,但半径只是母恒星极微小的量,转动惯量的减少导致了转速迅速增加,产生非常高的自转速率,周期从毫秒脉冲星的700分之一秒到30秒都有。中子星的高密度也使它有强大的表面引力。一颗中子星的逃逸速度大约在10000150000km/秒之间,也就是可以达到光速的一半。换言之,物体落至中子星表面的最大速度将达到150000km/秒。

1932年,中子被查德威克发现之后不久,苏联物理学家朗道就提出有一类星体可以全部由中子构成,朗道因此成为首次提出中子星概念的学者。1934年,巴德和兹威基认为超新星爆发可以将一个普通恒星转变为中子星﹐而且指出这个过程可以加速粒子,产生宇宙线。1939年奥本海默和沃尔科夫通过计算建立了第一个定量的中子星模型,但他们采用的物态方程是理想的简并中子气模型。

虽然早在30年代,中子星就作为假说而被提了出来,但是一直没有得到证实,人们也不曾观测到中子星的存在。由于理论预言的中子星密度大得超出人们想象,该假说在当时招到了普遍的怀疑。直到1967年,由英国科学家休伊什的学生乔丝琳·贝尔首先发现了脉冲星。经过计算,它的脉冲强度和频率只有像中子星那样体积小、密度大、质量大的星体才能达到。这样,中子星才真正由假说成为事实。

2007年天文学家借助欧洲航空局(ESA)的珈马射线天文望远镜(Integral),发现了迄今旋转速度最快的中子星。这颗中子星编号为XTEJ1739-285,每秒钟可沿自己的轴线旋转1122圈。按照地球的概念转一圈一天的话,在这个中子星上度过一秒钟相当于在地球上经历了3年多。这个发现推翻了原来认为的每秒700圈的星体转速极限。这颗中子星的直径约10km,但质量却与太阳相近,其密度高达每立方厘米1亿吨。其巨大引力从临近恒星不断夺取大量炙热气体,并不断诱发热核爆炸。

20101027英国《每日电讯报》报道,天文学家发现了宇宙中迄今为止最大的中子星,其质量几乎是太阳的两倍。这颗名为PSR J1614-223的中子星的大小与一个小城市差不多,相对而言并不算是一个大的星体,但其密度却是惊人的高。

收缩使中子星成为一块极强的磁铁,当快速自转时,中子星就有规律地不断向地球发射电波。当发射电波的那部分对着地球时,就收到电波;当这部分随着星体的转动而偏转时,就收不到电波。所以,收到的电波是间歇的,这种现象又称为灯塔效应

8.5.6 黑洞

当质量恒星质量较大时,进入恒星的灭亡阶段,核心在自身引力的作用下迅速地收缩,塌陷,发生强力爆炸。当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程停止,被压缩成一个密实的星体。

当一颗恒星衰老时,它的热核反应已经耗尽了中心的燃料,由中心产生的能量已经不多了。这样,它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下,核心开始坍缩。黑洞质量大,周围的暗物质异常稠密,且密度梯度也很大,致使其内部的发光产生全反射,而其附近的光线由于暗物质地密度梯度而发生严重的折射而扭曲。黑洞只能不断地吸收周围的能量,且不断蓄积。

8.6 星云再生

宇宙中氢元素约占90%;氦元素约占9%;其它元素约占1%。在历史的长河中,数不尽的恒星,无时不刻地消耗氢元素,然而,氢气的占比仍高达90%。氢元素一定具有良好的生成机制。

星云是尘埃、氢气、氦气、和其它电离气体聚集的星际云,泛指任何天文上的扩散天体。星云通常也是恒星形成的区域,在这个区域形成的气体、尘埃和其它物质聚集在一起。

行星状星云的样子有点像吐的烟圈,中心是空的,而且往往有一颗很亮的恒星。恒星不断向外抛射物质,形成星云。可见,行星状星云是恒星晚年演化的结果。比较著名的有宝瓶座耳轮状星云和天琴座环状星云。

1758828晚,梅西耶在巡天搜索彗星的观测中,突然发现一个在恒星间没有位置变化的云雾状斑块。梅西耶根据经验判断,这块斑形态类似彗星,但它在恒星之间没有位置变化,显然不是彗星。梅西耶将这类发现(截止到1784年,共有103)详细地记录下来。其中第一次发现的金牛座中云雾状斑块被列为第一号,既M1“M”是梅西耶名字的缩写字母。梅西耶建立的星云天体序列,至今仍然在被使用。在经过长期的观察核实后,赫歇尔将这些云雾状的天体命名为星云。由于早期望远镜分辨率不够高,河外星系及一些星团看起来呈云雾状,因此把它们也称之为星云。哈勃测得仙女座大星云距离后,证实某些星云其实是和银河系相似的恒星系统。由于历史习惯,某河外星系有时仍被称为星云,例如大小麦哲伦星云,仙女座大星云等。

星际物质与天体的演化有着密切的联系。观测证实,星际气体主要由氢和氦两种元素构成,这跟恒星的成分是一样的。星际尘埃是一些很小的固态物质,成分包括碳合物、氧化物等。星际物质在宇宙空间的分布并不均匀。在引力作用下,某些地方的气体和尘埃可能相互吸引而密集起来,形成云雾状。同恒星相比,星云具有质量大、体积大、密度小的特点。一个普通星云的质量至少相当于上千个太阳,半径大约为10光年。

根据理论推算,星云的密度超过一定的限度,就要在引力作用下收缩,体积变小,逐渐聚集成团。恒星形成以后,又可以大量抛射物质到星际空间,成为星云的一部分。所以,恒星与星云在一定条件下是可以互相转化的。

8.6.1 恒星抛离物质

恒星在不同的阶段均会向外抛离物质,不同的阶段和不同的质量的恒星向外抛离不同量的物质。在初始阶段抛离的物质较多,稳定阶段抛离的物质较少,在后期的死亡阶段,抛离的物质较多,尤其在红巨星爆发阶段,会把核心以外的物质都抛离恒星本体,物质向外扩散成为星云,然而这部分只占形成星云物质的极小部分。

8.6.2 中子星碰撞

当两颗中子星发生碰撞的时候,会发生比超新星爆发更猛烈的爆炸,形成高达3000多亿度的高温,这一时刻会有大量的中子星物质抛撒出来,这些基本都是以中子简并态存在的中子物质一旦离开中子星的高温高压环境,中子就会脱离中子简并态,成为自由中子,并衰变成质子和电子而形成一个氢原子,然而这部分只占形成星云物质的极小部分。

8.6.3 超新星爆发

中子星的超新星爆发也能产生一部分的氢元素,其原理和中子星碰撞类似,当能形成中子星的超新星爆发,由于内部巨大的撞击和爆炸,也会有部分中子星物质飞溅出去,这样也有一部分会形成氢元素,但是这种方式形成的氢元素份量就更少了。

8.6.4 黑洞的再生机制

 

8.7 黑洞向外边喷射物质

大质量的恒星则会变成超新星(Super nova),最终会成为中子星或黑洞。黑洞是宇宙中的再生机器,不断吞噬物质与能量,能量和物质不断蓄积。能量蓄积到一定程度,内部物质运动速度不断提高,体积不断增大,进而不断向外边喷射物质(见图8.7)

1998年,X射线源XTEJ1550-564曾进行过一场巨大的爆发。物质被高速地喷射入太空,冲击附近的空气并加热它们,使它们在X射线波段产生炽热光芒。这些X射线波段的热点从爆发至今已移动了3光年以上,现在残留下的喷流则已减弱至不可测。一般认为喷流就是沿着黑洞的自转轴喷射出来的。东京大学和日本国立天文台对离地球十亿光年星系中的黑洞进行了一次全方位的观测,发现黑洞中喷出的喷流根部出现了巨大的弯曲,这一现象是以前从来没有发现过的。2013年,夏威夷和美国西部的5部射电望远镜进行的观测,而目标黑洞是距离地球53亿光年和73亿光年的两个星系中的不同黑洞。喷出的喷流都在根部出现了明显的弯曲现象。

一项对200多个黑洞的调研发现这些喷流比科学家之前预测的还要凶猛。科学家认为粒子喷流利用了黑洞自身的旋转能。意大利国家天文物理研究所调研来自2008年升空的NASA费米伽马射线太空望远镜的数据。认为吸积盘的亮度和喷流的伽马射线强度之间存在明显线性关系。吸积盘亮度越高,喷流的力量越强。如果算喷射进宇宙的总能量的话,喷流发出的能量是吸积盘的10倍,因此认为喷流肯定有其它能量来源。对于喷流能量来源的解释中,接受度最高的一种解释认为,高速自旋的吸积盘含有大量带电粒子,这些带电粒子在旋转的情况下形成了强大的与黑洞接触的磁场。如果黑洞也在自旋,就会对磁场产生拖拽,在黑洞的旋转极上,磁场被绕成一个紧紧的锥状。也正是因为这个扭曲的磁场,才加速了黑洞中的粒子,让其形成喷流,整个过程的能量来源都是黑洞的旋转能。

8.7有序无限循环时空宇宙模型

当一个星体触发吸积后,如果核心质量较小,尤其是转动速度较小时,周围物质将接近直线或较小的角度落向星体,内层物质以极高的速度落入后,外层的物质速度无法快速提高,造成了物质吸积过早中断,使其无法形成足够大的恒星,成为失败的恒星,并形成了褐矮星。

褐矮星、其它较大的星体或双星等,由于有相对大一些的质量和转速,当进入到大片星云,将触发吸积。由于转速相对大,被吸积的物质不断跟随旋转,经过漫长的环绕而逐渐落入星体。而星云内物质落入星体的速度相对缓慢,使吸积过程相对漫长,外围物质有足够的时间加入旋转,使吸积过程不至于中断。当恒星爆发一定时间后,恒星开始抛离物质后,吸积过程才逐渐停止。而恒星聚变后,相对小质量的会形成白矮星。

由于白矮星往往具有较大的转速,且质量较大,当进入到大片的星云,将触发吸积。由于转速大,被吸积的物质不断旋转,经过漫长的环绕而逐渐落入星体。由于白矮星旋转速度大,星云内物质降落过程极其漫长,外围物质有足够的时间加入旋转,更多的物质被吸积。当恒星爆发一定时间后,恒星开始抛离物质后,吸积过程才逐渐停止,并达到平衡。由于质量较大,恒星聚变后,会形成中子星。

中子星具有较小的体积,极高的转速,极高的质量,容易大量并快速吸积物质,使温度升高,并激发超新星,而超新星快速聚变后,质量和转速再次提高,并不断从周围吸积物质。由于超新星的质量过大,且转速过高,使被吸积的物质也具有极高的转速,而这极高的转速使落入到星体的速度极其缓慢,进而形成了吸积盘,这就形成了所谓的黑洞。由于超高质量和超高转速,黑洞使吸积过程漫长持久。

黑洞的核心部位大量堆积着中子且不断从周围吸积物质和能量。中子既不能聚变,也不能裂变,更没有证据表明中子能够被压碎。由于黑洞的转速高,物质和能量的吸积过程相对缓慢,能量不断被中子吸收,但温度上升极其缓慢,被吸积的物质很难被激发聚变。由于黑洞的超大质量和超高速旋转,使其成为一个薄片化结构,在薄片的吸积盘不断向中心缓慢吸积,在薄片的吸积盘向内有着巨大的压力,而黑洞的极轴方向,压力异常的小,且转动使极轴方向很难有物质堆积。极轴上的中子,受到吸积盘上的极大压力,且不断吸积物质与能量,进而使中子的电子逐渐脱离核心,形成质子和电子。当质子和电子大量堆积后,在极轴部位由于旋转作用,一直处于最薄的状态,外部压力和约束最小,具有较高能量的质子和电子不断蒸发。而这种蒸发使周围的物质不断补充,促使物质和能量更快速地吸积,达到某种临界状态,质子和电子集中强烈喷射,喷射后很快降温并结合成氢原子,并进而形成氢气。

8.8 有序无限循环宇宙模型

8.8为有序无限循环宇宙模型。具有较大质量、转速极快的星体,触发吸积后,由于吸积过程极度漫长,无法点燃聚变,往往形成黑洞,形成巨大的吸积盘。黑洞是宇宙的清道夫,吸收周围的物质和能量,并使他们再生为氢气。

宇宙与地球类似,星球与生命类似,星云与泥土类似。宇宙为星球提供场所,星云为星球提供土壤;星球出生于星云,百转千回还会回归为星云。反反复复有序无限循环。

8.8 小结

(1) 宇宙至今仍存在,一定存在着自我循环与再生机制。而大爆炸每次循环时间、空间、分子结构等无法得到解释。实际上,宇宙没有年龄,没有开始,也没有尽头。宇宙是没有边界,所谓的边界是探测能力的边界。

(2) 宇宙中包括可见物质和暗物质,可见物质主要是氢、氦、锂、铍等元素。宇宙中大量不均匀分布的暗物质形成了万有引力。由于万有引力作用,恒星等星体均是成团成系存在,进而影响着整个宇宙的演化。

(3) 恒星的形成是天体物理学领域中最为基础性的问题,它是解答其它宇宙问题所必须首先解决的问题。所有的恒星有着类似的形成机制,且均需要一个触发条件和持续吸积条件。触发条件为具有一定质量的星体或若干个星体集合;而持续吸积条件为一定的旋转速度。

(4) 当一个星体触发吸积后,根据质量的大小分别形成褐矮星、白矮星和中子星。中子星快速吸积物质,使温度升高并激发超新星,而超新星快速聚变后,质量和转速再次提高,使吸积过程漫长而持久,进而形成黑洞。

(5) 黑洞的核心部位大量堆积着中子且不断从周围吸积物质和能量。由于黑洞的超大质量和超高速旋转,使其成为一个薄片化结构,在薄片的吸积盘向内有着巨大的压力,而黑洞的极轴方向,压力较小,且转动使极轴方向很难有物质堆积。进而使中子的电子逐渐脱离核心,形成质子和电子并不断蒸发;喷射后很快降温并结合成氢原子,并进而形成氢气。黑洞是宇宙的清道夫,吸收周围的物质和能量,并使其再生为氢气。




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