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130億年前,宇宙不足-243℃,科學家是發現的?
2022/02/28
2022/02/28

宇宙中的最低溫度,是大家熟知的絕對零度,也就是-273.15℃。在這個溫度下,微觀粒子的運動徹底停止,因此不會有比這更低的溫度。

那麼,宇宙中最高的溫度呢?

科學家指出,宇宙中的最高溫度為1.4億億億億攝氏度,又叫做普朗克溫度。這個溫度只出現于一瞬間,那就是宇宙大爆炸的那個瞬間。隨著宇宙在大爆炸後不斷膨脹,它的溫度就在不斷降低。如今,宇宙大爆炸已經過去差不多138億年了,溫度也降到了非常低的水準。

到了今天,宇宙溫度是多少呢?

雖然宇宙中遍佈著各種各樣的天體,它們有的非常熱,有的比較冷。但從宇宙整體來看,其平均溫度大概只有2.73開爾文,也就是大約-270.42℃。換句話說,今天的宇宙,已經非常接近絕對零度了。

天文學家是如何得到這個資料的呢?

20世紀60年代,美國科學家彭齊亞斯和R.W.威爾遜意外發現了來自宇宙的特殊電磁波,這就是著名的宇宙微波背景輻射。宇宙微波背景輻射是上世紀六十年代的四大天文發現之一,非常重要,這兩位科學家還因此獲得了1978年的諾貝爾物理學獎。

科學家發現,宇宙微波背景輻射的特徵和絕對溫標2.73K的黑體輻射基本相同,由此推算出了今天宇宙的平均溫度。

宇宙微波背景輻射不僅說明了今天的宇宙溫度,還説明我們推測了宇宙的歷史,這就要從它的產生說起了。

在宇宙大爆炸的初期,宇宙中所有的物質都集中在極小的范圍內,以至于溫度和密度都相當驚人。在這種情況下,連原子都無法形成,在這樣的環境中,光子也無法自由地傳播。

一直到大爆炸的38萬年後,宇宙的溫度終于降低到了臨界值,質子和電子結合成了原子,光子也終于能夠自由傳播。並且隨著宇宙的膨脹,它們的波長被拉長到了微波的波段,所以被稱為宇宙微波背景輻射。

那麼,到底要什麼樣的溫度條件,才能夠讓質子和電子結合呢?

物理學家指出:光子的能量和它的頻率成正比,也就是和波長成反比。隨著宇宙年齡的增加,宇宙的空間在不斷膨脹,相對應的光的波長就會被拉長,也就是光的能量在降低。當宇宙的尺寸增加一倍時,宇宙初期的光就會減少一半的能量。

在宇宙大爆炸的38萬年後,宇宙的尺寸僅有今天的0.092%,相對應的,它的溫度就是今天的1089倍左右,也就是大約3000開爾文。

那麼,從那個時候到現在,宇宙又經歷了怎樣的變化呢?

最近,天文學家又對129億年前的宇宙進行了測溫,進一步完善了人類對宇宙降溫歷程的理解。

我們知道,光年的定義就是光在真空中一年之內穿越的距離,所以想要了解129億年前的宇宙,就需要觀測129億光年以外的天體。天文學家們找到的物件,是一個名叫HFLS3的星系。

這個星系的內部,有大量的新恒星在形成,因此天文學家將它歸類為星暴星系。同時,在這個星系和地球之間,還隔著一塊巨大的水蒸氣團。通過這些水蒸氣,天文學家能夠計算出當時宇宙的溫度。

這團水蒸氣的溫度比宇宙微波背景輻射要低一些,而且二者之間會產生一種名叫吸收線的光譜,通過對吸收線的觀測和研究,天文學家就能夠計算出當時宇宙微波背景輻射的溫度。這個過程相當復雜,不過得益于HFLS3星系中新生恒星釋放的紅外線,以及位于法國的NOEMA(北方擴展毫米陣列)望遠鏡,天文學家們還是計算出了當時的宇宙溫度。

研究結果表明,我們目前看到的HFLS3星系所處的狀態下,宇宙的的溫度只有16.4到30.2開爾文,也就是-256.8℃到-243℃。換句話說,在宇宙大爆炸的8.8億年後,宇宙的溫度就從一開始的1.4億億億億攝氏度降低到不足-243攝氏度。接下來將近130億年的時間,宇宙又降溫了二十幾攝氏度。

這個資料準確嗎?可以說基本準確,因為此前天文學家根據宇宙模型進行推測的結果,就是大約20開爾文,就處于這次研究的結果范圍內,二者可以互相驗證結果。因此,這一次的研究成果對于鞏固人類的宇宙學模型,也具有重要的意義。

來自德國科隆大學的天體物理學家Dominik Riechers解釋道:「除了寒冷的證據之外,這項發現還告訴我們,早期的宇宙具有一些特殊的物理特性,並且如今已經不復存在。在很早的時候,也就是大爆炸的大約15億年後吧,宇宙微波背景輻射的溫度就相當低,以至于無法產生這樣的溫度差了。」

導致宇宙降溫的原因,就在于宇宙是膨脹的。而宇宙膨脹的原因,則是一種名叫暗能量的機制。關于暗能量,科學家幾乎一無所知,因為目前沒有什麼手段能夠直接觀測和研究它,只有通過宇宙膨脹速度和宇宙微波背景輻射溫度的下降來對它進行側面的了解。所以說,這一次的研究,對于目前我們了解暗能量也具有重要的意義。

接下來,研究人員希望繼續進行類似的觀測,對宇宙大爆炸的前15億年時間裡進行更多時間點的測溫,這將有助于我們對宇宙膨脹狀態的了解。宇宙的膨脹狀態,代表著宇宙的最終命運。宇宙到底會無限膨脹下去,還是在某一天重新收縮,答案可能正在逐漸浮出水面。

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