【宇宙之謎】和100億年前相比,宇宙氣體升溫了10倍,能量從何而來?

天空之城 2020/11/14 檢舉 我要評論

138.2億年前,我們的宇宙從一片虛無中誕生,通過大爆炸開始暴漲,最終形成了今天的宇宙。

據推測,在大爆炸的一瞬間,宇宙的溫度達到了令人恐怖的1.4億億億億攝氏度。自此以後,隨著宇宙的膨脹,物質密度的不斷降低,宇宙溫度也在不斷下降。到了今天,宇宙的平均溫度已經非常低了,大約是-270.4℃,距離絕對零度-273.15℃已經非常接近了。

但是,最近的一項研究讓科學家們十分詫異: 雖然宇宙整體的溫度在不斷下降,但是和100億年前相比,宇宙氣體的溫度卻提升了10倍!這又是怎麼回事呢?

俄亥俄州立大學宇宙學中心的天體物理學家江奕寬(Yi-Kuan Chiang)領銜的來自于俄亥俄州立大學、東京大學、約翰·霍普金斯大學和馬克斯·普朗克天體物理學研究所的研究團隊,在最近的《天體物理學雜誌》上介紹了他們的研究,以及這個驚人的發現。

為了這次研究,他們統計了來自於美國的斯隆數字巡天和歐洲航天局在2009年啟動的普朗克任務兩大專案的資料,通過對遙遠天體的觀測結果,得到了剛才的結論。

這兩個專案都對宇宙進行了全方位的探測,其研究目標也都是整個宇宙尺度下的天文學問題。它們可以觀測到宇宙的邊緣,甚至是一百億光年以外的宇宙。我們知道,光年就是真空中光在一年時間裡穿梭的距離,因此多少光年以外的天體,直接代表著我們看到的是它在多少年以前的模樣。

正是利用這個原理,他們對一百億光年之外的天體進行了觀測,這意味著他們看到的就是一百億年前的宇宙。

為了測量這些氣體的溫度,研究團隊利用了 蘇尼耶夫-澤爾多維奇(SZ)效應法。所謂SZ效應,指的是宇宙微波背景輻射與宇宙 [ [大尺度]]熱氣體結構相互作用時,能量分佈會發生一定的變化。通過這個方法,歐洲航天局的普朗克衛星已經在宇宙深處發現了許多熱氣體結構,而本次研究的團隊也是利用這個方法來測量這些氣體的溫度。

那麼,研究人員是如何確定觀測到的氣體和我們之間的距離呢?

其實這一點我們也有介紹,那就是利用紅移。

所謂的紅移,就是多普勒效應在電磁波方面的一種體現。多普勒效應大家應該比較熟悉了,就是隨著波源和接收者之間距離的變化,導致接收者觀測到的波長發生了變化,也就是頻率會發生變化。

生活中最常見的多普勒效應,就是一個人站在路邊,路上有一輛車飛馳而過,當車靠近他的時候,他會聽到車的聲音的音調在上升,也就是聲音越來越尖銳,也就是波長變短、頻率升高了;當車路過他並且開始遠離時,他聽到的音調就會下降,本質原因是波長增加、頻率降低了。

同樣的,當宇宙中的天體和我們之間的距離發生變化時,它們的光譜也會發生波長和頻率上的變化。和聲波一樣,當天體遠離我們時,它們發出的光波長會增加,頻率會降低,於是光就會向波長比較長的紅光方向靠近,這就叫做紅移;相反的,當天體靠近我們時,光的波長就會降低,頻率增加,所以會向波長比較短的藍光方向靠近,這就是藍移。

在大約一百年前的時候,美國天文學家愛德溫·哈勃(哈勃太空望遠鏡就是以他的名字來命名的)就指出:我們的宇宙正處於膨脹中,這意味著宇宙空間中的天體也因為宇宙的膨脹而遠離我們。科學家做了一個比喻,就像是你剛剛放進烤箱的蛋糕,當它膨脹的時候,附著在表面的葡萄乾就會彼此相距越來越遠,我們宇宙中的星系等天體就是這樣的。

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