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韦伯太空望远镜发现“宇宙大爆炸”似乎从未发生
网友【发现了】于【太平洋时间 2022-09-18 10:52:57】分享在【时代发展的印记】版块    29255    1    5

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随着史上最强大的太空望远镜詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)投入观测以来,天文学家都在殷切期待新的观测结果。这架太空望远镜远在距离地球150万公里的太空中,它可以排除地球大气干扰,直接窥探到宇宙的最深处。

虽然光速很快,但还是有限的,如果在距离上能够看得更远,就能在时间上回溯得更加久远。天文学家寄希望于韦伯太空望远镜能够看到宇宙的最深处,接收到宇宙发出的第一批星光,从而研究宇宙最初是怎样的。

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在对韦伯最新的观测数据进行分析后,结果完全出乎天文学家的意料,138亿年前的宇宙大爆炸似乎没有发生!预印文本《arXiv》刊载了一项新研究论文[1],标题开头甚至写了“恐慌!(Panic!)”。

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天文学家Allison Kirkpatrick更是直呼:“现在我发现自己凌晨三点醒着躺在床上,想知道我做的一切是否都是错的。”

那么,韦伯究竟看到了什么?为什么天文学家会有这样的反应?

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过去,天文学家普遍认为宇宙是静态的,存在了无限漫长的时间。百年前,爱因斯坦在创立广义相对论后,用引力场方程来描述宇宙,结果发现宇宙并不稳定,所以他在方程中引入了宇宙学常数,以此来描绘一个静态的宇宙。

但在广义相对论诞生十多年之后,天文学家埃德温·哈勃却有了令人匪夷所思的发现。哈勃观测到,宇宙中的星系大都表现出红移,而且距离越远的星系,红移效应越显著,两者呈正相关。

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根据多普勒效应,光谱出现红移,这意味着星系在远离银河系,导致光的波长被拉长。而且红移值越大,意味着星系远离的速度也越快。于是,哈勃就得到了著名的哈勃定律:

v = H0 · D

其中v是星系的退行速度,H0为哈勃常数,D为星系的距离。

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哈勃定律的发现,意味着宇宙不可能是静态的,所以爱因斯坦很快就认识到自己错了,去掉了引力场方程中的宇宙学常数。只有宇宙膨胀能够解释哈勃定律,整个宇宙空间结构在不断扩张,迫使分布于空间中的星系互相远离。

既然空间随着时间的推移而不断膨胀,那么,过去的宇宙无疑比现在小。倘若把时间回溯到遥远过去的某个时刻,推测是距今138亿年前,宇宙是无限小的状态,那么,这个“宇宙奇点”可以认为就是宇宙的时间和空间的起源。

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一开始,宇宙中所有的物质和能量都集中在奇点,然后宇宙从大爆炸中诞生,这就是宇宙大爆炸理论。根据这一理论,宇宙最初三分钟,合成了比例为3:1的氢和氦,其他元素几乎没有。

随着宇宙的不断膨胀冷却,氢和氦聚集形成气体云,它们在引力的作用下,最终坍缩成恒星、星系。在恒星的核聚变和超新星爆发、中子星碰撞等过程中,逐渐合成了包括碳、氧、氮、硅、铁、金等更重的元素,生命的诞生才有了元素基础。

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根据宇宙大爆炸理论,星系最初形成时,个头非常小,形状是不规则的,处于十分原始的状态,看起来与如今的星系是天差地别。经过数十亿年的演化,星系的结构不断发育,逐渐形成了螺旋星系、椭圆星系等结构明显的星系。

然而,当韦伯望向宇宙最深处,试图窥探最初宇宙的星系时,似乎看到了不该有的东西。根据另一项新研究[2],134亿年前的一个编号为GHz2的星系,其直径估计只有600光年(银河系直径超过10万光年),但考虑它的光走了长达134亿光年还能被看到,可以计算出它的表面亮度是宇宙中最亮星系的600倍,密度是现在星系的数万倍。

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此外,韦伯的观测结果显示,遥远宇宙中的星系似乎也不是各种不规则的形状,并且也没有大量发生碰撞,大部分星系似乎都有平滑的星系盘和明显的螺旋结构,正如现在我们所看到的星系那样。

根据另一篇即将发表在《自然》(Nature)杂志的论文[3],在红移超过10的情况下,也就是光行距离超过133亿光年,星系的数量至少是理论预言的10万倍。

也就是说,早期宇宙中似乎就已经存在大量发育完全的星系,像银河系这样大小的星系不在少数。在如此短的时间内,显然来不及形成如此多如此大的星系。《大爆炸从未发生》(The Big Bang Never Happened)的作者Eric J. Lerner认为,宇宙大爆炸并没有发生过。

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对于这样的结论,主流天文学界是无法接受的,他们认为Eric J. Lerner误读了这几篇论文的研究结果。宇宙大爆炸理论目前仍是描述宇宙起源的最好理论,受到了多个独立证据的支持。

最关键的一个证据,甚至我们普通人都能发现。大家是否还记得小时候看过的黑白电视机,如果没有信号,或者转到没有台的频道,电视上就会出现满屏黑白相间的无规律“雪花”,这种雪花屏恰恰能证明宇宙大爆炸,究竟是怎么回事呢?

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宇宙一开始非常致密,温度极高,所有物质都是处于纯能量的状态。随着宇宙不断膨胀,温度持续降低,宇宙中才有条件形成物质,以及不受束缚的光子。根据推测,在宇宙诞生38万年后,宇宙的温度变得足够低,光子与带电粒子退耦合,宇宙发出了第一缕光。

经过138亿年后,这些最古老的光子还在如今的宇宙中传播。但由于空间膨胀,这些光子的能量已经大幅衰减,波长拉长,变成了微波,充满整个宇宙。无论我们朝着哪个方向观测宇宙的最深处,最终都会看到这些微波,这就是宇宙微波背景辐射。

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这些微波可以被电视机的天线接收到,呈现出来的就是雪花屏。据估计,雪花屏的1%来自于宇宙大爆炸的第一缕光,所以我们从某种意义上看到了宇宙大爆炸。

参考文献:
[1] Leonardo Ferreira, Nathan Adams, Christopher J. Conselice, et al. Panic! At the Disks: First Rest-frame Optical Observations of Galaxy Structure at z>3 with JWST in the SMACS 0723 Field, 2022, arXiv:2207.09428.
[2] Marco Castellano, Adriano Fontana, Tommaso Treu, et al. Early results from GLASS-JWST. III: Galaxy candidates at z∼9-15, 2022, arXiv:2207.09436.
[3] Ivo Labbe, Pieter van Dokkum, Erica Nelson, et al. A very early onset of massive galaxy formation, 2022, arXiv:2207.12446.

出处:微信订阅号 @火星科普

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5   2022-09-18 10:52:57  回复

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