2025年高考物理宇宙形成之初的景象

　　[趣味物理]宇宙形成之初的景象

　　我們往往以為，要看到過(guò)去，就必須乞靈于時(shí)光隧道旅行。其實(shí)，這是誤解：由于光的傳遞需要時(shí)間，所以只要在晚上仰望穹蒼，那么所見(jiàn)從遠(yuǎn)距離來(lái)的星光就已經(jīng)是過(guò)去的景象。例如銀河系核心離太陽(yáng)大約3萬(wàn)光年，因此目前所見(jiàn)的銀核光譜是在3萬(wàn)年前，亦即新石器時(shí)代出現(xiàn)之前的情況；同樣，距離為5，000萬(wàn)光年的M87星云在望遠(yuǎn)鏡中所顯示的，則是5，000萬(wàn)年前，即遠(yuǎn)在人類出現(xiàn)之前，甚至非洲和南美洲大陸板塊還未分離之時(shí)的景象。

　　兩年之前，我們?cè)�在本欄�?bào)導(dǎo)，對(duì)一個(gè)約16億光年之遙的星云的觀測(cè)顯示，在16億年前宇宙的背景溫度高達(dá)7.4K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前銀河系附近的2.7K。

　　宇宙從「大爆炸」（thebigbang）形成至今，年齡估計(jì)約130億年左右。那么有沒(méi)有可能觀察更遙遠(yuǎn)，譬如說(shuō)100億光年以外（亦即100億年以前）的天體，以測(cè)定宇宙混沌初開(kāi)之時(shí)的景象呢？以沙弗（P.A.Shaver）為首的一組英國(guó)天文學(xué)家最近證實(shí)，"類星體"在遠(yuǎn)距離開(kāi)始變得稀少，到了相當(dāng)于宇宙年齡6.5%左右那么遠(yuǎn)的距離，它就根本不存在了。類星體是星云互相碰撞或者星云核心塌縮而產(chǎn)生的異常規(guī)象，因此必須先有星云才會(huì)有類星體出現(xiàn)。但早期宇宙是

　　一個(gè)高密度而相對(duì)均勻的質(zhì)球，它需要相當(dāng)時(shí)間才會(huì)由于微細(xì)的密度漲落和重力作用而產(chǎn)生空間不均勻結(jié)構(gòu)，亦即前星云結(jié)構(gòu)。所以，在宇宙早期星體不可能存在。沙弗的研究結(jié)果，多少?gòu)膶?shí)際觀測(cè)上證驗(yàn)了這一構(gòu)想。

　　其實(shí)，在過(guò)去二十年間，已經(jīng)有不少這一方面的工作，但都受到下列問(wèn)題困擾：遠(yuǎn)方星云（包括類星體）以極高徑向速度運(yùn)動(dòng)，且速度與距離成正比──這就是由于大爆炸而造成所謂宇宙膨脹。這徑向速度造成了星云光譜的紅移（見(jiàn)方塊中的解釋），但那同時(shí)又使得星云所發(fā)的光變?yōu)榧t光，從而論彌漫在星云之間的微塵吸收。因此，見(jiàn)不到極遙遠(yuǎn)的類星體很可能是由于上述吸收作用造成，而并非其不存在。

　　沙弗等人解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵在于：大部分類星體會(huì)同時(shí)發(fā)出可見(jiàn)光和無(wú)線電波，可見(jiàn)光的紅移程度是測(cè)定距離所必須的，但它可能被微塵吸收，而無(wú)線電波卻不會(huì)被吸收。因此，倘若能為每一個(gè)可能是類星體的無(wú)線電源找到相應(yīng)的可見(jiàn)光源，并且由是確定其距離，那么就可以有信心確定最遠(yuǎn)的類星體距離有類星體（quasars）是1968年發(fā)現(xiàn)的特異天體。令人驚詫的是，它亮度（luminosity，即每秒所發(fā)出的幅射能量）極高，相當(dāng)于甚至超過(guò)整個(gè)星云（每一星云包含10的9次方至10的11次方顆星）。亮度是這樣推算的：由于類星體的譜線顯示了極高的紅移系數(shù)z，由是可以推斷它有極高的后退速度；但根據(jù)哈勃定律，星體的距離與后退速度成正比，因而又可以推知它有極遠(yuǎn)的距離，并且因而可以從它的表觀（apparent）亮度算出它的驚人本有（intrinsic）亮度。另一方面，類星體顯示出極迅速的閃爍。也就是說(shuō)，它可以在幾秒鐘之內(nèi)，大幅改變亮度。由于合它表面任何兩點(diǎn)產(chǎn)生同步變化的訊號(hào)不能快過(guò)光速，所以又可以從它閃爍的特徵時(shí)間估計(jì)它表面直徑的上限。這樣，就發(fā)現(xiàn)類星體的表面積遠(yuǎn)小于星云，只和一顆恒星相若。其所以稱為類星體，就是由于其亮度近于星云，大小則像恒星，所以無(wú)從簡(jiǎn)單判斷其性質(zhì)和構(gòu)造。

　　類星體的本質(zhì)，曾經(jīng)今天文學(xué)家長(zhǎng)期感到迷惑�，F(xiàn)在他們多少趨向于同意，類星體是所謂活躍星云的核心，亦即是由于星云相撞或者其中心由于重力塌縮而形成巨大黑洞之后，又不斷吸人大量物質(zhì)所造成的現(xiàn)象。類星體是宇宙進(jìn)化的產(chǎn)物，所以它出現(xiàn)的高峰，集中在宇宙目前年齡大約20%，亦即宇宙形成之后大約25憶年的時(shí)代。在這之后（也就是說(shuō)，在較接近太陽(yáng)的距離）類星體密度大大減少，那是早已研究清楚的；至于在此之前類星體密度的減少，則是本文討論的題目。多遠(yuǎn)和屬于甚么年代，而不必?fù)?dān)心由于微塵的吸收而有所遺漏了。這一需要有系統(tǒng)和大量高度精密觀測(cè)的工作，正就是沙弗小組最近完成的。

　　他們首先將整個(gè)南半球天空所有已知具有類星體無(wú)線電波譜型的射電源加以精確定位，然后在其位置一一尋找到了相應(yīng)的可見(jiàn)光源，并且辨明這些光源的形態(tài)、紅移程度和距離。這樣所得結(jié)果是：最遙遠(yuǎn)的類星體的紅移系數(shù)是z=4.46，那說(shuō)明它發(fā)光的時(shí)間離宇宙形成之初只有89億年，亦即目前宇宙年齡的6.5%左右。在更遠(yuǎn)的距離（相當(dāng)于z>5和更早的年代）盡管還有許多其他發(fā)光星體，但具有其特殊無(wú)線電譜型的類星體則并不存在。由是證明，早期宇宙是沒(méi)有發(fā)射強(qiáng)無(wú)線電波的類星體的。他們并且認(rèn)為，有理由相信同樣結(jié)果還適用于所有類星體。

　　倘若這一結(jié)論可以站得住腳的話，那未我們對(duì)星云開(kāi)始形成的年代也得到了一個(gè)估計(jì)，即不遲于大爆炸之后8.9億年。

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