1宇宙大爆炸理論CONTENTS第10章現代天文學恒星的起源和演化210.1課程標準

1.知識目標

識記加莫夫（俄籍美國人）、夫瑯和費（德）、基爾霍夫（德）、彭齊亞斯和威爾遜（美）、哈勃（美）在天文學上的創新成果。理解宇宙元素的豐度、恒星光譜的紅移、宇宙背景輻射、宇宙的年齡獲得的依據。理解大爆炸標準模型的演變過程。2.能力目標具備初步批判性思維能力。3.素質目標弘揚科學家精神，博學德清，鼎新致用。

第一節宇宙大爆炸理論

1946年美國俄籍核物理學家、宇宙學家喬治·伽莫夫（1904—1968）正式提出宇宙大爆炸模型。1952出版了《宇宙的產生》著作，進一步進行了論證。該理論成為現代宇宙學中最有影響的一種學說，稱之為宇宙大爆炸標準模型。伽莫夫（1904—1968）

一、基本觀點

認為宇宙誕生于大約100億年前的一次大爆炸。

爆炸之初，物質只能以中子、質子、電子、光子和中微子等基本粒子形態存在。

宇宙爆炸之后的不斷膨脹，導致溫度和密度很快下降。隨著溫度降低、冷卻，逐步形成原子、原子核、分子，并復合成為通常的氣體。

氣體的主要成分是氫氣，約占75%；其次是氦氣約占25%。氣體逐漸凝聚成星云，星云進一步形成各種各樣的恒星和星系，最終形成我們如今所看到的宇宙。

宇宙還在膨脹，宇宙背景冷卻到3K。宇宙大爆炸不斷膨脹示意圖二、大爆炸的依據1、宇宙元素的豐度1814年，德國物理學家夫瑯和費用分光鏡發現在太陽光的譜帶（連續譜）中含有數百條暗線（譜線），譜帶中橙黃色區域的雙重暗線（D線）的位置與金屬鈉的化合物受熱后所產生的兩條明線的位置相同。這些吸收線代表著恒星大氣中各種不同的化學元素。每種化學元素都有特殊的光譜線

科學家發現了三種類型的光譜。連續譜：在高壓下的熾熱固體、液體、或者氣體發出連續光譜；發射線：在低壓下的熾熱氣體，產生分立的亮線組成的光譜。氣體不同，產生的亮線也不一樣；吸收線：通過低壓的氣體來觀察一個發出連續光源時，可以看到連續光譜上迭加了幾條暗線，暗線的位置恰好是低壓的熾熱氣體發出亮線的位置。三種類型的光譜特征1858年德國物理學家基爾霍夫發現產生這三種光譜的原因，于次年提出了兩條定律：

（1）每一種元素都有自己的光譜；（2）每一種元素都能吸收它能夠發射的譜線。將所拍的恒星線光譜和已知元素譜線波長表相對照，便可確認天體的化學成分。

同時，還可根據光譜線的強度確定各元素的含量。研究表明，幾乎所有恒星的表層大氣中都具有大致相同的化學成分，氫和氦兩種元素占了總量的95%以上，其中氫占75%左右。還有鉀、鈉、鈣、鎂、鐵、氧化鈦等元素和一些化合物。

2.星系光譜的紅移聲音的頻率越大，音調越高。比如C調：1（262）；2（294）；3（330）；4（349）；5（392）；6（440）；7（494）赫茲。

當火車朝我們開來時，汽笛聲愈來愈尖，一旦擦身而過，又迅速地低沉下去。火車一停，汽笛聲也隨著穩定下來。這說明聲源和觀測者只要有相對的運動，聲波的頻率就會發生變化。

在互相接近的情況下，頻率變高；互相分離時，頻率變低，這種現象叫多普勒效應。測定光的多普勒效應的最好辦法，是觀測它的譜線的變化。

c=νλ

多普勒效應是一切種類波所共有的現象，也適用于光波和電磁波。大多數恒星的光譜里，在紫外光部分都有兩條暗線，這是被鈣氣吸收所致。

令人詫異的是，遙遠星系光譜里的這兩條暗線同實驗室的比較，卻不是處在它們應處的位置上，而是稍稍移向低頻端(即紅端)。這種現象稱為“紅移”。星系距離愈遠，譜線“紅移”愈顯著，甚至使這兩條應處于紫外光部分的暗線，移到了紅光一端。

這種某頻率譜線的位移現象，說明該天體遠離觀察者而去。20世紀60年代，世界各地的天文觀測者測量到約28000個星系的光譜,除少數（靠近銀河系的那些星系)外，全都具有支持膨脹宇宙的紅移。光譜線的紅移現象，說明該天體遠離觀察者而去

3、宇宙背景輻射

微波即波長在10米到1毫米之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波的統稱。1964年，美國貝爾電話實驗室的彭齊亞斯和威爾遜用一架衛星通訊天線測量銀暈氣體射電強度。為了降低噪音，他們甚至清除了天線的鳥糞，但依然有消除不掉的背景噪聲。他們認為，這些來自宇宙波長為7.35厘米的微波噪聲相當于3.5K。1965年，他們又訂正為2.726K，并將這一發現公諸于世。普林斯頓大學皮伯斯等認為，這就是他們尋找的宇宙背景輻射。微波背景輻射被作為“大爆炸宇宙”的重要遺跡被確認。彭齊亞斯和威爾遜兩人因此獲得1978年諾貝爾物理學獎。而皮伯斯也終于在2019年獲得了諾貝爾物理學獎。大爆炸的宇宙背景輻射溫度

4.宇宙的年齡

對室女座10顆脈沖星觀測得到的哈勃常數的值為：50～100km·s-1·Mpc-1，確定的宇宙年齡在120億～160億年之間。現在普遍認為，估計宇宙年齡在100億～150億年之間。

這些結果與宇宙年齡的理論值符合得很好。三、大爆炸標準模型

大爆炸宇宙論認為宇宙起源于一個高溫、高密度的“原始火球”的大爆炸，爆炸之后經過降溫、變稀和膨脹，逐步演化成今天看到的天體系統。宇宙“始”于約100億年前的大爆炸。起初不僅沒有任何天體，也沒有粒子和輻射，只有一種單純的真空狀態以指數函數形式急劇膨脹著。

大爆炸宇宙膨脹示意圖

（1）大爆炸后10-44s，溫度為1032K，發生超統一相變。引力相互作用首先分化出來，但弱、電磁、強三種相互作用仍不可分。此時最基本的粒子產生。

（2）10-36s，溫度為1028K，大統一相變發生。強相互作用與弱、電磁相互作用分離。此時有強子生成。

（3）10-10s，溫度為1015K，弱電相變發生。弱相互作用與電磁相互作用分離。此后，物質與反物質間的不對稱（即質子、電子等物質多于反質子、正電子等反物質）的現象開始出現。

引力源于物體質量的相互吸引；電磁力是由粒子的電荷產生的，同性電荷相斥異性電荷相吸；強力主要是把夸克結合在一起的力；

弱力的作用是改變粒子而不對粒子產生推和拉的效應，像核聚變和核裂變這兩個過程都是受弱力支配的。（4）1s，溫度降至1010K，中子進入凍結階段。凍結的中子有兩種途徑，一部分與質子結合，成氦核；另一部分自由衰變成質子。

中子→質子+電子+反電子中微子。

（5）3

min，溫度為109K，為原子核合成階段。

中子：質子=1：7。首先形成氘核，然后再形成氦核。氦和氫核的質量比是1：3。

（6）1h后，反應結束，形成了75%的氫和25%的氦。

（7）7×105a，宇宙溫度降為3000K，為原子合成階段。原子核與電子結合成為原子。（8）108a，輻射溫度為100K，星系形成。

（9）109a，輻射溫度12K，出現類星體

（10）目前，宇宙年齡為1010a，輻射溫度降為2.7K，我們觀測到的宇宙已大到10