黑暗过后是光明

我们光子虽然诞生于全然光明的世界,但是当我们一旦离开了那个世界开始自由旅行于宇宙中的时候,我们发现周围的世界一片漆黑。我们光子的能量随着宇宙的膨胀逐渐衰减,使得我们的颜色暗淡到无法用肉眼识别。所以,虽然宇宙中充满了第一代光子,但是那时的宇宙却是一片黑暗。在黑暗中的旅行是孤独的,是乏味的,是没有方向的,我渴望回到我们光子诞生之初的那光明世界当中。

在黑暗中,有一种看不见的物质正在聚集成团,这种物质与重子物质以及光子通常不产生相互作用,它们与重子物质和我们光子好像存在于平行的世界里,我们与这些所谓的“暗物质”通常只通过引力相互影响。虽然我们光子在诞生初期和物质各占整个宇宙能量的一半,但是随着宇宙的膨胀,我们光子的能量越来越低,而物质的总能量却不怎么改变。由于暗物质在所有物质中约占85%的比例,所以暗物质逐渐成为主宰宇宙进程的决定性力量。宇宙中的暗物质分布并不是完全均匀的,宇宙中暗物质密度较高的区域通过引力逐渐形成暗物质晕,这些暗物质晕通过引力拖曳着重子物质形成团块。

在宇宙大概四亿岁的时候,这些重子物质团块慢慢长大到大概有一百万个太阳的质量。重子物质在引力作用下塌缩为球形,当球核的温度增高到一亿开尔文(或者一亿摄氏度)的时候,质子和质子碰撞形成了氘或者重氢,并产生了高能光子和中微子。这些氘核与质子和中子的进一步碰撞产生了稳定的氦核。这个所谓的“氢聚变”过程释放了大量的高能光子,产生了第一个会发光的球,这就是所谓的“恒星”,它再一次点亮了宇宙。

宇宙再电离示意图(credit: NASA)

随着宇宙中第一缕光的出现,越来越多的暗物质团块携带着重子物质塌缩形成了第一代恒星。这些恒星的高能光子将我们第一代光子诞生时所形成的氢分子再一次电离成质子和电子,于是宇宙开始变得透明,恒星所产生的可见光得以穿透黑暗。这时的宇宙虽然不像我们光子诞生时的宇宙那么光明,但是它慢慢变得有趣。恒星内部核聚变产生了比氢和氦更重的新的稳定元素。当第一代恒星内部的氢被消耗到一定程度的时候,恒星开始变得不稳定并膨胀,大约在几百万年后通过超新星爆炸的形式将新的元素抛射到周围的星际空间。这些新的元素和宇宙诞生时形成的轻元素如氢和氦将再一次塌缩形成质量更小也更加稳定的第二代恒星。

恒星不仅越来越稳定,而且它们在引力作用下慢慢聚集形成更大的结构。就是所谓的“星团”、“星系”以及“星系团”。通常,更大的重子物质团块的塌缩可以形成许多恒星,这些恒星形成的小星系和其他星系并合形成更大规模的星系,并与其他星系一起形成星系团。所以,暗物质和引力这两种看不见但又无处不在的存在为宇宙再次带来了光明,并开启了一个复杂、有序和精彩的新时代。

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作者: phillippro

曾在德国,英国,美国留学科研,目前在国内做科研。

《黑暗过后是光明》有2条评论

  1. 我很好奇,这些以亿为单位的时间是怎么算的,搞科研的人是怎么推演所谓宇宙诞生之初是什么样的?

    1. 这里面有很多技术,比如距离阶梯可以告诉我们距离,有了距离,我们就可以除以光速得到光子发出的时间;距离阶梯包括标准的三角视差、还有一些变星的周光关系、超新星爆发等;宇宙学年龄和距离的最大标尺是哈勃关系,也就是说红移越高的星系的距离越远,这样我们通过测量距离,就可以得到最远星系的年龄。所以,一旦测量了哈勃常数,我们就可以得到宇宙年龄。你可以认为哈勃常数的倒数就是宇宙的年龄。最精确测量哈勃常数和宇宙年龄的方法是用标准宇宙学模型来拟合宇宙微波背景辐射CMB,CMB正是这篇博文中提到的第一代光子。

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