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宇宙有什么奥妙？ 大爆炸后的膨胀过程是一种引力和斥力之争，爆炸产生的动力是一种斥力，它使宇宙中的天体不断远离；天体间又存在万有引力，它会阻止天体远离，甚至力图使其互相靠近。引力的大小与天体的质量有关，因而大爆炸后宇宙的最终归宿是不断膨胀，还是最终会停止膨胀并反过来收缩变小，这完全取决于宇宙中物质密度的大小。理论上存在某种临界密度。如果宇宙中物质的平均密度小于临界密度，宇宙就会一直膨胀下去，称为开宇宙；要是物质的平均密度大于临界密度，膨胀过程迟早会停下来，并随之出现收缩，称为闭宇宙。问题似乎变得很简单，但实则不然。理论计算得出的临界密度为5×10－30克/厘米3。但要测定宇宙中物质平均密度就不那么容易了。星系间存在广袤的星系间空间，如果把目前所观测到的全部发光物质的质量平摊到整个宇宙空间，那么，平均密度就只有2×10－31克/厘米3，远远低于上述临界密度。然而，种种证据表明，宇宙中还存在着尚未观测到的所谓的暗物质，其数量可能远超过可见物质，这给平均密度的测定带来了很大的不确定因素。因此，宇宙的平均密度是否真的小于临界密度仍是一个有争议的问题。不过，就目前来看，开宇宙的可能性大一些。恒星演化到晚期，会把一部分物质（气体）抛入星际空间，而这些气体又可用来形成下一代恒星。这一过程会使气体越耗越少，以致最后再没有新的恒星可以形成。1014年后，所有恒星都会失去光辉，宇宙也就变暗。同时，恒星还会因相互作用不断从星系逸出，星系则因损失能量而收缩，结果使中心部分生成黑洞，并通过吞食经过其附近的恒星而长大。 1017～1018年后，对于一个星系来说只剩下黑洞和一些零星分布的死亡了的恒星，这时，组成恒星的质子不再稳定。当宇宙到1024岁时，质子开始衰变为光子和各种轻子。1032岁时，这个衰变过程进行完毕，宇宙中只剩下光子、轻子和一些巨大的黑洞。 10100年后，通过蒸发作用，有能量的粒子会从巨大的黑洞中逸出，并最终完全消失，宇宙将归于一片黑暗。这也许就是开宇宙末日到来时的景象，但它仍然在不断地、缓慢地膨胀着。闭宇宙的结局又会怎样呢？闭宇宙中，膨胀过程结束时间的早晚取决于宇宙平均密度的大小。如果假设平均密度是临界密度的2倍，那么根据一种简单的理论模型，经过400～500亿年后，当宇宙半径扩大到目前的2倍左右时，引力开始占上风，膨胀即告停止，而接下来宇宙便开始收缩。以后的情况差不多就像一部宇宙影片放映结束后再倒放一样，大爆炸后宇宙中所发生的一切重大变化将会反演。收缩几百亿年后，宇宙的平均密度又大致回到目前的状态，不过，原来星系远离地球的退行运动将代之以向地球接近的运动。再过几十亿年，宇宙背景辐射会上升到400开，并继续上升，于是，宇宙变得非常炽热而又稠密，收缩也越来越快。在坍缩过程中，星系会彼此并合，恒星间碰撞频繁。一旦宇宙温度上升到4000开，电子就从原子中游离出来；温度达到几百万度时，所有中子和质子从原子核中挣脱出来。很快，宇宙进入“大暴缩”阶段，一切物质和辐射极其迅速地被吞进一个密度无限高、空间无限小的区域，回复到大爆炸发生时的状态参考资料：http://www.jslysx.net/web/goodweb/astro/
天文学中的难题，简析宇宙十大奥秘

有哪些关于宇宙的紧迫问题至今仍困扰着天文学家？

银河系这样的星系是如何以不可持续的速度形成新恒星的，这是令天文学家感到困惑的诸多谜团之一。(美国航天局/喷气推进实验室)

1.什么是费米气泡？

图解：黑洞、费米气泡和银河，图源：universetoday

不，这不是一种罕见的消化系统疾病。这些气泡是巨大而神秘的结构，从银河系中心发出，在银河系平面上下延伸约2万光年。这种奇怪的现象在2010年首次被发现，它是由肉眼看不见的高能伽马射线和x射线辐射组成的。科学家们推测，伽马射线可能是被银河系中心的大黑洞吞噬的恒星发出的冲击波。

2.矩形星系

图解：被发现的罕见矩形星系，图源：universetoday

“看，抬头看天空!”这是一个……矩形?早些时候，天文学家在大约7000万光年之外发现了一个天体，其外观在可观测宇宙中是独一无二的:LEDA 074886星系的形状或多或少有点像一个矩形。虽然大多数星系的形状都像圆盘、三维椭圆或不规则的液滴，但这个星系似乎有一个规则的矩形或菱形外观，有人推测这种形状是由两个螺旋状星系的碰撞造成的，但目前真实情况并不明确。

3.月球的磁场

图解：月球的分层和设想磁极图，图源：universetoday

月球最大的谜团之一——为什么只有部分地壳可能有磁场——这已经让天文学家着迷了几十年，甚至激发了在小说和电影《2001太空漫游》中神秘的“巨石”的灵感。但一些科学家最终认为他们可能有一个解释：研究人员利用计算机模型分析了月球的地壳，他们认为，月球的磁场可能是45亿年前一颗直径120英里的小行星撞击月球南极时留下的遗迹，那次撞击使磁性物质四处散落。不过，也有人认为，磁场可能与其他更小、离现在更近的撞击有关。

4.为什么脉冲星会发出脉冲？

图解：脉冲星的磁极模型，图源：universetoday

脉冲星是距我们很遥远的、快速旋转的中子星，它们每隔一定的时间发射一束电磁辐射，就像灯塔旋转的光束扫过海岸线一样。尽管1967年就发现了第一颗脉冲星，但几十年来，科学家们一直在努力弄清楚是什么导致恒星发出脉冲信号，以及是什么导致脉冲星偶尔中断发射脉冲信号。不过在2008年，当一颗脉冲星突然关闭脉冲580天时，科学家的观测结果使他们能够确定“开启”和“关闭”周期在某种程度上与减缓恒星自转的磁流有关。天文学家仍在努力探究为什么这些磁流一开始会有波动。

5.什么是暗物质?

图解：黝黑的网络状存在是暗物质，悬挂在网络的橙色区域是物质，而整个空间暗能量无处不在，图源：universetoday

天体物理学家目前正试图观察暗能量的影响，暗能量占宇宙的70%。但它并不是宇宙中唯一的黑暗物质:它大约有25%是由一种完全独立的被称为暗物质的东西组成，它对望远镜和人眼完全不可见，既不发射也不吸收可见光(或任何形式的电磁辐射)，但它的引力效应在星系团和单个恒星的运动中非常明显。尽管暗物质已被证明是极难研究的，但许多科学家推测，它可能是由亚原子粒子组成的，而这些亚原子粒子与我们周围物质的构成从根本上是不同的。

如图所示，新发现的伽马射线气泡从一端到另一端延伸了5万光年，大约是银河系直径的一半。(美国宇航局戈达德太空飞行中心)

6.星系循环

图解：星系的颜色和形状在很大程度上是由环绕它的扩展光晕中的气体流动控制的。所有关于星系形成的现代模拟都发现，如果不对复杂的吸积和“反馈”过程进行建模，就无法解释星系的观测属性。星系通过吸积和“反馈”过程获得气体，然后在恒星的化学处理后将气体排出。哈勃的光谱观测表明，像我们银河系这样的星系会回收气体，而经历了快速星爆活动的星系会失去气体进入星系间空间，变成“红色和死亡”。(来源:美国国家航空航天局;ESA,太空望远镜科学研究所)

天文学家们已经注意到，星系形成新恒星的速度似乎比它们内部实际存在的物质消耗还要快。例如，银河系似乎每年都会将相当于一个太阳的尘埃和气体转化成新的恒星，但它没有足够的富余物质来长期维持这种状态。一项对遥远星系的新研究可能会给出答案:天文学家注意到星系喷出的气体会流回星系中心，如果星系循环这些气体来产生新的恒星，那么这可能是解决丢失的原材料之谜的一部分原因。

7. 锂元素在哪里?

大爆炸的模型表明锂元素在整个宇宙中应该是很丰富的，在这种情况下，这个谜团的结果显而易见:事实并非如此。通过对与大爆炸产生的物质最相似的古代恒星的观察，发现锂的含量比理论模型预测的要低两到三倍。新的研究表明，在我们的望远镜观测不到的地方，其中一些锂可能混入了恒星的中心，而理论学家则认为，轴子(亚原子粒子)可能吸收了质子，并减少了大爆炸后产生锂的数量。

外太空有人吗？

1961年，天体物理学家弗兰克·德雷克（Frank Drake）设计了一个极具争议的方程式：将有关外星生命概率的一系列术语（宇宙中恒星形成的速率、有行星的恒星所占的比例、有适合生命的条件的行星所占的比例等等）相乘。他推测，其他行星上存在智能生命的可能性极大。有一个问题：尽管有罗斯威尔的阴谋论者，我们至今还没有收到任何外星人的消息。然而，发现的遥远行星在理论上可能蕴藏着生命，这使我们又怀有了希望，如果我们继续寻找的话可能会探测到外星人。

9. 宇宙将如何终结?

我们现在相信宇宙始于大爆炸，但它将如何结束呢?根据一系列的因素，理论家们得出结论，宇宙的命运可能是几种截然不同的形式之一。如果暗能量的总量不足以抵抗引力的压缩，整个宇宙就会坍缩成一个奇点——一个大爆炸的镜像，被称为大挤压。不过，发现表明，大挤压不如冷寂更有可能发生。在冷寂中，暗能量迫使宇宙缓慢、逐渐地膨胀，剩下的只有烧毁的恒星和死亡的行星，它们在略高于绝对零度的温度下徘徊。如果有足够的暗能量来压倒所有其他的力，大撕裂的场景就会发生，所有的星系、恒星甚至原子都会被撕裂。

10. 多元宇宙论

图解：多元宇宙想象图，图源：universetoday

理论物理学家推测，我们的宇宙可能不是唯一的宇宙。这个想法是：我们的宇宙存在于一个气泡中，多个不同的宇宙包含在它们自己独特的气泡中。在这些其他的宇宙中，物理常数——甚至物理定律——可能有很大的不同。尽管该理论与科幻小说相似，但天文学家现在正在寻找物理证据:大爆炸遗留下来的宇宙背景辐射中的圆盘形图案，它可能表明我们的宇宙在与其他宇宙碰撞。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. 秦正冰-SmithsonianMag

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