宇宙的演化

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应绫受
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1 宇宙高一 3 第 8 組組員 : 8 號 ~ 劉哲儒 ( 資料查詢 + PowerPoint 製作 ) 16 號 ~ 邱靖庭 ( 資料整理 + 上台報告 ) 24 號 ~ 陳冠卉 ( 資料查詢 + 資料整理 ) 33 號 ~ 劉怡君 ( 資料整理 + 上台報告 ) 報告的主題宇宙的結構圖宇宙的結構宇宙的誕生宇宙的演化宇宙的直徑

宇宙結構圖宇宙星系群星系恆星行星彗星衛星宇宙的演化大紀元 5 月 11 日訊近期, 天文學家們借助高解析度的天文望遠鏡在我們所能觀測到的宇宙範圍內發現了許多奇妙而令人深思的重大天文現象 [ 圖 1] 近英國和澳大利亞的天文學家們獨立地發現了宇宙膨脹加速的新證據現在科學家們認為我們的宇宙起源於約 150 億年前的一次大爆炸自從宇宙大爆炸之後, 星體和各星系一直各自向外飛散

2 宇宙結構圖宇宙星系群星系恆星行星彗星衛星宇宙的演化大紀元 5 月 11 日訊近期, 天文學家們借助高解析度的天文望遠鏡在我們所能觀測到的宇宙範圍內發現了許多奇妙而令人深思的重大天文現象 [ 圖 1] 近英國和澳大利亞的天文學家們獨立地發現了宇宙膨脹加速的新證據現在科學家們認為我們的宇宙起源於約 150 億年前的一次大爆炸自從宇宙大爆炸之後, 星體和各星系一直各自向外飛散 [ 圖 1] 從現有理論上講, 相互維繫的引力應該減慢這個膨脹的速度但是早在 1998 年, 兩組天文學家的發現震動了科學界, 他們從所觀察到的遙遠星系的超新星 ( 正在爆炸的大質量星體 ) 的亮度推斷宇宙正在加速膨脹, 否定了科學界長期以來認為宇宙膨脹速度減慢的推論最近, 英國劍橋大學天文學教授喬治. 艾夫斯塔休 (George Efstathiou) 領導的由 27 位天文學家組成的研究小組對由位於澳大利亞新南威爾斯州賽丁市的名叫英澳的天文望遠鏡拍攝的巨大宇宙空間的 250,000 個星系的照片圖案進行分析, 通過比較現在宇宙的結構和從微波背景輻射中觀測到的宇宙年齡僅 30 萬年

3 時的結構, 英澳小組就能用簡單的幾何學原理來弄清宇宙的組成他們的結果表明, 宇宙正在加速膨脹, 與以前超新星小組的結果完全一致一般認為, 加速膨脹正是爆炸的前兆科學家認為, 宇宙中有某種力量, 正在把星體和各星系拉開宇宙學家不知道那是什麼力量, 但是他們可以建立數學公式把這個現象描繪出來普林斯頓大學教授保爾. 斯坦哈特 (Paul Steinhardt) 和英國劍橋大學教授內耳. 圖羅克 (Neil Turok) 最近提出了宇宙循環爆炸重組的模型該理論認為, 宇宙無始無終, 不斷處於從生長到消亡的循環過程中據 BBC 報導, 提出這個理論的宇宙學家們說, 宇宙必然是這樣, 這才可以解釋宇宙間一個重大的疑團 : 為什麼星體和各星系都在背道而馳 ( 宇宙膨脹 ), 越離越遠宇宙原本已經奇幻莫測, 有黑洞誇剋星, 還有不斷從無到有又從有到無的粒子斯坦哈特說, 這些公式預測宇宙無始無終, 一次次宇宙大爆炸將會永不止息, 不斷發生他說我們這幅圖畫所提出的大爆炸並非時間的開端, 而只是一連串爆炸循環當中的最新一次而已在這些循環當中, 宇宙經歷加熱膨脹冷卻停滯空虛, 然後再度膨脹根據這個理論, 宇宙將會繼續膨脹, 然後在宇宙某個角落發生另一次大爆炸, 一切重新開始他們指出, 如今的宇宙是在上個宇宙的塵埃中誕生的從近期天文學新發現可以推斷, 宇宙目前正面臨加速膨脹爆炸重組和新星孕育產生的關鍵時刻, 觀察到宇宙變化的劇烈程度令人吃驚現代科學原有的宇宙圖像需要進行徹底的更正, 人類對宇宙和生命的認識也將會發生根本的變化根據古人天人合一的思想, 天象變化對應著人類社會中相應的變化, 這些劇烈的變化對應到我們地球上, 或許預示人類也正面臨著重大變革宇宙的結構直到 20 世紀初, 人們研究天體所依賴的資料主要是恆星發出的光, 然而, 宇宙中發光的主要就是恆星年代發現了來自宇宙的無線電波無線電, 從而誕生了一種新的觀測工具, 無線電天文望遠鏡, 透過無線電望遠鏡, 人類發現了不是用光所顯現出的宇宙的另一面 1924 年, 美國天文學家哈勃透過觀測第一次證實, 在銀河系之外, 也存在著像銀河系一樣的星系 1934 年, 哈勃及其同事提出, 根據觀測到的星系紅外線移動資料, 可以測量遙遠星系的距離從此, 人類的視野從恆星世界推向更為廣闊的星系世界銀河外星系中國科普博覽 - 科學之門宇宙的誕生據計算, 宇宙大概誕生在一百五十億年前, 是經過一次大爆炸而產生的, 剛誕

4 生的宇宙很小, 是極高密度極大的一團, 其中包含了各種粒子, 如質子電子以及其他今天只有在實驗室中才出現的奇異粒子這些粒子有正反之分, 正粒子組成正物質, 反粒子組成反物質, 當正反物質遇上, 物質便會化為能量消失科學家認為, 在宇宙爆炸誕生之初, 正反物質擠成一團, 撞來撞去大約過了一分鐘, 宇宙膨脹到半徑五光年大小, 絕大部分的物質粒子, 都因正反相遇而毀滅消失, 只剩下組成一切電磁波的光子組成重力波的重力子和不組成什麼的微中子, 還有極少量正反相撞毀滅後, 殘餘的物質粒子, 數目只有原來的十億分之一, 而光子重力子微中子都沒有質量, 不會因碰撞而消失, 所以它們的數目與宇宙初生時差不多宇宙的直徑 & 形狀新浪科技訊北京時間 5 月 25 日消息, 來自美國蒙大拿州立大學的天體物理學家尼爾 - 科尼什與其同行們近日對宇宙直徑做出了新的評估 :1560 億光年科學家們在這項新的研究工作中對宇宙微波環境內微弱的振動進行了縝密的分析研究, 而正是這種微波環境給科學家們提供了有關宇宙結構的資訊科學家們從事此項研究的一個主要目的就是要找到所謂的鏡室存在的標志, 而所謂的鏡室則只是一個解釋宇宙結構假想的比喻而已現代宇宙認識論認為, 宇宙是有限的, 其內部空間也是封閉的, 穿越宇宙的光最終還是要回到光源, 就好似光線在一個裝滿鏡子的房間內來回穿梭然而, 宇宙的年齡事實上已經很老了, 根據天文學家們近期的推測, 它至少應該已經有 147 億歲, 因此我們直接觀看光線在宇宙間來回穿梭事實上也已不可能了但是, 科學家們認為他們能夠根據微波環境的特性來間接地認識和研究宇宙科尼什教授表示, 雖然沒有找到直接的證據, 但這並不意味著鏡面效應就不存在, 也不代表宇宙就真是無邊無垠的尼爾 - 科尼什還表示, 如果我們的設想正確, 並且如果我們的研究沒有犯根本性的錯誤, 那麼我們就能計算出宇宙的直徑, 它應該是 1560 億光年那麼宇宙到底是球形馬鞍形, 還是平坦的呢? 宇宙的結構實際上是時間和空間的結構, 普通人很難想像不過科學家提出一個衡量宇宙結構的標準 : 如果兩束平行光線越來越近, 那麼宇宙結構是球形的 ; 如果兩束平行光線越來越遠, 那麼宇宙的結構是馬鞍型的 ; 如果兩束平行光線永遠平行下去, 那麼宇宙結構則是平坦的平坦的宇宙結構可以用歐基里德幾何解釋, 宇宙結構是平坦的這一結論是參加銀河系外毫米波輻射和地球物理氣球觀測項目的多國科學家得出的經過研究, 科學家發現, 在大尺度上, 宇宙最初發出的光線並沒有發生彎曲現象, 也就是說當初的兩束平行光線一直保持著平行狀態, 這就說明了宇宙結構是平坦的, 也就是說宇宙總質量恰好等於臨界質量, 而宇宙將像現在這樣一直膨脹下去

5 專有名詞的介紹黑洞黑洞是宇宙中最神秘的物體之一黑洞的理論建基於萬有引力定律, 這種力使我們緊貼在地上, 同時使地球環繞太陽運行愛因斯坦的相對論提出, 質量和能量決定時空的幾何形狀, 而時空的彎曲率則以引力的形式表達出來黑洞是擁有強大引力的物體, 引力之大即使是宇宙中速度最高的光線也不能逃離黑洞 ; 亦因如此約翰威拿於 1971 年將這種物體命名為黑洞如有一個黑洞, 它的質量跟太陽的質量相同, 那黑洞的半徑只有約 3 千米 ( 即太陽半徑的 % ) 黑洞漆黑不可見, 那我們怎樣能知道它的存在呢? 科學家們可以間接從黑洞對鄰近的星際氣體及塵埃的影響來找到它當任何物體墮進或被吸入黑洞時, 都會被黑洞吸積入內, 形成黑洞外的吸積盤繞著黑洞運行這運行中吸積物的潮汐力將動能轉為熱能, 使溫度提高, 甚至可達數百萬度我們可藉著測量 X - 射線的強度及變化, 從而探測黑洞的存在大爆炸學說假設宇宙是在約億年前, 從一個高溫高密度的狀態, 開始爆炸, 膨脹之後漸漸冷卻, 形成星系膨脹是發生在每一處宇宙論標準模型所描繪出的宇宙的歷史如下 : 當時間為 0 時開始產生大爆炸, 當時間為 4 秒時, 開始產生質子中子電子當時間為 3 分時, 開始形成原子核, 其中氫 (H) 約佔 75%, 氦 (He) 約佔 25% 此時氣體是游離的, 自由電子與光散射, 光無法跑遠就被散射掉, 宇宙到處充滿輻射大爆炸至此時期之前, 合稱為輻射主控時代 (radiation dominate era) 當時間為 106 年時, 溫度約為 3000 K, 自由電子與氫氦原核結合成為氫原子與氦原子此時氣體是中性的, 使得光子可以在宇宙中自由行走, 亦即宇宙變透明了, 從此進入物質主控時代 (matter dominate era) 當時間為 109 年時, 星系的形成哈柏定律幾乎所有星系相對於本銀河系都是遠離的, 其遠離的徑向速度可用都卜勒效應來測量星系的紅位移, 進而找出星系遠離的速度哈柏定律是一個很重要的距離指標, 量得星系的遠離速度, 透過哈柏定律

6 可以知道星系的距離微波背景輻射 1. 3 K 微波背景輻射大爆炸後, 宇宙膨脹冷卻 2. Penzian&Wilson (1978 諾貝爾獎得主 ) 用號角形天線發現, 天空具有均勻等向的無線電波雜訊宇宙背景輻射, 相對應於 3K 黑體所發出的輻射 3. COBE 衛星精確測量, 宇宙微波背景輻射的溫度為 ±0.005 K 4. 微波背景輻射不均勻量微波背景的微量不均勻, 是宇宙區域結構的種子

Robert PenziasAmo Wilson COBE WMAP

宇宙的奧祕一般報導令人驚艷的現代宇宙學自有人類以來無垠的宇宙總是引人產生無限的遐想究竟宇宙有無邊際如何誕生又是怎麼演進就讓我們以現代科學的角度發掘全新的宇宙觀演講人吳俊輝 Robert PenziasAmo Wilson COBE 10 10 WMAP 43 20042374 WMAP 44 20042374 WMAP MAXIMA 40 5 25 70 45 20042374

宇 宙 的 演 化

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