宇宙大爆炸的三大證據

在古老的恒星中精確測量鋰-6和鋰-7的含量是一個非常大的挑戰,尤其是鋰-6的含量,因為它的豐度非常低,信號特征非常弱,只有利用像凱克天文臺這樣的大型望遠鏡才能獲得想要的觀測數據
一個國際天文學家小組利用地球上最強大的望遠鏡發現,宇宙大爆炸后瞬間發生的情形和理論預言的一致,消除了二十多年來天體物理學家的困惑。

在物理學和天文學中最重要的困難是,實際在天文觀測中得到的鋰-6的含量比理論值大2%,而鋰-7的含量比理論值小3%~5%。這個嚴重的困難導致了一些奇怪的物理解釋和毫無收獲的觀測研究。

劍橋大學的天文學家Karin Lind領導的小組證明,這個持續了數十年的問題是由于觀測數據的質量不高,并且在分析鋰同位素方面過于簡化的原因。他們利用凱克天文臺10米口徑的望遠鏡對古老恒星的觀測表明,宇宙大爆炸核合成理論(nucleosynthesis)所預言的鋰-6、鋰-7的含量與實際觀測并沒有沖突之處,維護了現有的宇宙大爆炸理論。

在上世紀20年代,天文學家埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)發現了宇宙膨脹。現代宇宙觀測表明,宇宙始于138億年前的一場“大爆炸”。證實宇宙大爆炸的重要基石是,宇宙中充滿了微波輻射和輕元素(light elements)的含量與大爆炸核合成理論的一致性。

在古老的恒星中精確測量鋰-6和鋰-7的含量是一個非常大的挑戰,尤其是鋰-6的含量,因為它的豐度非常低,信號特征非常弱,只有利用像凱克天文臺這樣的大型望遠鏡才能獲得想要的觀測數據。

高質量的天文觀測和精細的理論模型相互印證,最終解決了困擾在粒子物理學和天文學中的困難。

宇宙大爆炸的三大證據:

第一個支柱是愛因斯坦的廣義相對論。

在它出現之前的近300年里,牛頓理論一直是天文學幾乎所有分支的基礎。從地球到星系,不論在什么尺度下,牛頓理論都能準確預言物體的運動狀態。但是,對于無窮大的物質集合,牛頓理論就完全不適用了。廣義相對論突破了這個局限。1916年,愛因斯坦公布了廣義相對論,并且提出了一個包含宇宙學常數的簡單方程,用來描述宇宙。此后不久,荷蘭物理學家威廉·德西特(Willem de Sitter)就求出了方程的一個解。德西特的結果似乎與當時人們公認的宇宙圖景完全一致:宇宙是被廣袤且永恒不變的虛空包圍著的一座宇宙島。
宇宙學家們很快意識到,這種永恒不變的靜止狀態是一種誤解。事實上,德西特的宇宙會永遠膨脹下去。比利時物理學家喬治·勒邁特(Georges Lema tre)后來證明,愛因斯坦的宇宙學方程預言,宇宙要么膨脹,要么收縮,無限、均勻、永恒不變的宇宙不可能存在。后來被人稱為“大爆炸”的理論,就是在這個觀點的基礎上產生的。

第二個支柱出現在20世紀20年代,天文學家們觀測到了宇宙的膨脹。

第一個為宇宙膨脹提供觀測證據的人,是美國天文學家維斯托·斯萊弗(Vesto Slipher),當時他用恒星光譜測量了鄰近星系的速度。正在移向地球的恒星發出的光波會被壓縮,波長變短,導致星光顏色向藍色端偏移(藍移);正在遠離我們的天體發出的光波則被拉伸,波長變長,顏色向紅色端偏移(紅移)。通過測量遙遠星系發出的光波是被壓縮還是拉伸,斯萊弗就能確定它們是在移向我們還是遠離我們,還能測量它們的運動速度。(當時的天文學家們甚至不能確定,這些今天被稱為“星系”的暗弱光斑,究竟是獨立的恒星集團,還是銀河系中的氣體星云。)斯萊弗發現,幾乎所有的星系都正在遠離我們而去。我們似乎處在一個膨脹宇宙的中心。

不過,我們通常并不把宇宙膨脹的發現歸功于斯萊弗,而是將功勞算在了美國天文學家埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)的頭上。(不然就不會有哈勃空間望遠鏡,而應該是斯萊弗空間望遠鏡了。)哈勃不僅測定了鄰近星系的速度,還測定了它們的距離。這些測量讓他得出了兩個重要的結論,足以說明宇宙膨脹發現者的桂冠非他莫屬。第一,哈勃證明這些星系確實非常遙遠,從而證明它們和我們所處的銀河系一樣,是獨立的恒星集團。第二,他發現星系的距離與速度之間存在簡單的對應關系:星系的速度正比于它與我們之間的距離。也就是說,一個星系到我們的距離是另一個的兩倍,那么它遠離我們而去的速度也會是另一個星系的兩倍。距離與速度之間的這一關系,恰好是宇宙正在膨脹的標志。哈勃的測量結果后來不斷得到修正,最近一次修正使用了遙遠超新星的觀測數據——正是這次修正導致了暗能量的發現。

第三個支柱是宇宙微波背景中的黯淡光輝。

這是美國貝爾實驗室的物理學家阿諾·彭齊亞斯(Arno Penzias)和羅伯特·威爾遜(Robert Wilson),在1965年追查射電干擾源時意外發現的。科學家們很快就意識到,這種輻射正是宇宙膨脹早期階段殘留下來的一種遺跡。它意味著宇宙最初是灼熱而致密的,后來才逐漸冷卻,變得越來越稀薄。

熾熱的早期宇宙還是核聚變的理想場所,這是大爆炸理論的最后一個觀測支柱。當宇宙溫度高達10億到100億K時,較輕的原子核能夠聚變為較重的原子核,這個過程被稱為“大爆炸核合成”(big bang nucleosynthesis)。隨著宇宙的膨脹,溫度會迅速下降,因此核合成只能持續短短幾分鐘,聚變也只能發生在最輕的幾種元素之間。宇宙中的大部分氦和氘都是在那個時候形成的。天文學家對宇宙中氦和氘豐度的測量結果,與大爆炸核合成的理論預言吻合。核合成還準確預言了宇宙中質子和中子的豐度,為大爆炸理論提供了進一步的證據。