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《现代天文学与诺贝尔奖》

吴鑫基 著

上海科技教育出版社

宇宙大爆炸

反演星系彼此分离的历史，可以断定，以往的星系彼此间要靠近一些，它们很可能来自同一个地方，那里体积很小、质量很大、温度很高，宇宙有一个起始点。据此，1948年伽莫夫大胆地提出，在约140亿年以前，处于极高温度、极大密度下的无限小的“原始火球”发生了一次巨大的爆炸。此后，宇宙空间不断膨胀，温度不断下降，密度不断降低，逐渐形成宇宙万物。这篇发表在《物理评论》的划时代的论文是由阿尔弗（Ralph Alpher）、贝特和伽莫夫三人署名的，主要人物成为第三作者。阿尔弗是伽莫夫指导的博士生，而贝特则是鼎鼎大名的核物理学家，后来因研究恒星能源的杰出成就而获得诺贝尔物理学奖。贝特并没有参加此项研究，伽莫夫为了拼凑出αβγ作者群而幽默了一次。

大爆炸宇宙学的取名并不是提出者的原意，说起来颇有戏剧性。英国宇宙学家霍伊尔坚决反对伽莫夫提出的宇宙模型，认为是“荒谬、不科学的”。1949年3月28日，他在英国广播公司（BBC）节目中讨论宇宙学时，把伽莫夫的宇宙模型说成是“大爆炸”（the big bang）宇宙模型。由于这个名字很形象，便就此流传开来。

当然，我们不能把宇宙的诞生看成是空间中一点上的某个物质发生了某种爆炸。在爱因斯坦的宇宙中，空间与物质的分布是紧密联系的，观测到的宇宙膨胀反映的是空间本身的展开。大爆炸理论的要点在于空间的平均密度随宇宙的膨胀下降。宇宙膨胀对星系或星系团的大小没什么影响，只是使星系之间和星系团之间的空间伸展了而已。星系和星系团受自身引力的束缚不会因空间的膨胀发生变化。在这种意义上，宇宙膨胀很像是葡萄干面包发酵过程。生面团类似空间，而葡萄干就像星系。当面团膨胀时，葡萄干彼此远离。任意两颗葡萄干相互分离的情况完全取决于它们之间的面团有多少，以及面团的膨胀多大。

太空中的长城

我们知道，银河系约含有上千亿颗恒星，而宇宙中约有千亿个星系，星系的分布是不均匀的，具有成团性。在更大的尺度上，星系的分布呈现网状，形成连成一片的“星系长城”和没有星系的“空洞”，如图7-14所示。今天的结构形成理论告诉我们，早期宇宙中物质分布存在微小的不均匀性，在非常均匀的背景上的小扰动，通过引力的不稳定性被放大，最后坍缩为不同尺度的结构。这些微小的扰动，必定会在微波背景辐射场留下痕迹。而COBE探测到的微小的各向异性正是结构形成理论所需要的扰动幅度，这成为COBE最重要的贡献之一。

暗物质真的存在吗

子弹星系团多波段合成图，粉色是钱德拉空间望远镜观测的X射线图像，整体背景是哈勃空间望远镜和巨麦哲伦望远镜的光学观测结果，而蓝色部分是根据引力透镜效应推测的物质分布，可以发现暗物质与可探测物质分离了

2006年，钱德拉X射线空间望远镜观测到距太阳系一亿光年处的船底座有两个星系团发生碰撞和融合，形成一个子弹形状的星系团。天文学家用美国哈勃空间望远镜、智利的巨麦哲伦望远镜在可见光波段观测这一区域时，发现了引力透镜现象。但意想不到的是，透镜天体并不是子弹星系团，而是周围空空如也的区域。因此断定，产生引力透镜现象的透镜天体不是子弹星系团的可观测物质，而是原来的两个星系团中的暗物质。星系团的碰撞会导致正常物质与暗物质的分离。发生碰撞时，可观测物质（恒星、星云等）因为强大的摩擦力停止前进，融合为一个新的星系团。而原来的星系团中的暗物质因为不发生电磁相互作用，不会受到摩擦力的阻拦，继续前行跑到了子弹星系团的两个外边缘，与可观测物质分离了。这个观测结果被认为是暗物质存在的直接证据。

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资料：上海科技教育出版社

编辑：段鹏程