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宇宙的擴張

eliu

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新竹, 台灣
1subject: 宇宙的擴張Promote 0 Bookmark 02011-08-23quote  

假設宇宙是由大爆炸產生,由於萬有引力,那宇宙應該會縮回去才對?實際上不是,距離愈遠的星系擴張愈快,這就是哈伯定律,我們可以從恆星的光譜的紅位移(恆星遠離的速度)計算出恆星的距離。

有人提出黑暗物質來解釋宇宙的擴張,不過目前還沒有實際觀測到黑暗物質,我也搞不懂宇宙擴張與暗黑物質有何關連。

星雲內的星系以很快的速度圍繞星雲的中心運轉,可是可觀測到的星星的質量(有包含黑洞?)造成的萬有引力應該是無法維持這個運轉速度,應該會散開來。有人解釋可能有看不到暗黑物質造成的萬有引力維持運轉速度。

我在想,如果整個宇宙是很高速在旋轉,V2/R > 萬有引力,那星雲就有可能飛出去,就是宇宙的擴張。而且隨著宇宙的擴張,星雲的距離愈來愈遠,萬有引力也愈來愈弱,宇宙的擴張就更快。

那有沒有一天宇宙會縮回去?如果哪一天宇宙星系合併產生很多黑洞,有可能會縮回去。

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ychao
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小弟做的是高能物理,不是學天文的,不過一些簡單的物理常識還可以唬唬人。

天文觀測能夠看到的,就只有會發光(電磁波)或是反射光的星體,從一些定理或是理論模型可以推斷出宇宙中物質的質量多寡。這當然會牽涉到宇宙是封閉、平坦還是持續擴張的。(哈伯常數)如果質量密度太低,重力無法把大爆炸後飛出去物質拉回來,那宇宙就會一直膨脹下去。相反地,如果有足夠的質量,總有一天這些形成的星體跟黑洞就能讓宇宙開始收縮,最後把整個宇宙再拉回一點。(下一個大爆炸?)

但是從一些間接的觀測例如星系的旋轉速度、重力透鏡還有掩星等等的現象得知,宇宙中物質的質量遠比直接觀測到的量要多得多,那這些觀測不到、不會發光的物質,就稱為「黑暗物質」(dark matter)。(很沒創意吧? Laughing )

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eliu

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如果只是一般的由內往外的直線爆炸,不會出現距離愈遠的部分擴張愈快的加速的現象,除非有不明往外拉的力量可以對抗。

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也有一種理論認為宇宙會 漲->縮->漲->縮->漲->縮 這樣循環,

目前觀測到的可能是膨脹時的前期。

eliu

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離心力(向心力):m1V2/r
萬有引力:Gm1m2/r2

隨著宇宙的擴張,萬有引力衰退的速度是離心力的半徑 r 倍,所以這樣就會產生宇宙加速擴張的現象?

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coolcd
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超新星 宇宙學 美3人獲諾貝爾物理獎

二○一一年諾貝爾物理學獎得主四日揭曉,由三位美國天文學家珀爾穆特(Saul Perlmutter)、施密特(Brian P. Schmidt)與黎斯(Adam G. Riess)同膺殊榮。得獎理由是,三人「透過觀測遙遠的超新星,發現宇宙的加速膨脹。」這項成就對人類對宇宙的認識極重要。珀爾穆特可得到一千萬瑞典克朗獎金(約新台幣二二三四萬元)的半數,另一半由施密特與黎斯均分。

……

宇宙肇始於大約一三七億年前的「大霹靂」,之後不斷膨脹擴張。一個關鍵問題是,宇宙膨脹速度是越來越慢或越來越快?若是前者,宇宙終將從膨脹轉為收縮,回到大霹靂起點;若後者,宇宙將無窮無盡擴張下去。

一九九八年,天文學家終於找出答案,人類對宇宙的認識改觀。珀爾穆特與施密特分別領導的兩個團隊幾乎同時提出證據,證實宇宙膨脹速度越來越快。團隊利用天文望遠鏡觀測五十多顆「Ia超新星」,計算它們遠離地球的速度,破解宇宙膨脹之謎。

宇宙加速膨脹的關鍵在於「暗能量」。大霹靂發生至今,暗物質影響越來越弱,暗能量效應卻越來越強,導致宇宙加速膨脹。科學家推測,再過約一千億年,暗能量將「統治」整個宇宙,所有物質分解殆盡,銀河、太陽系、地球、人類都將湮滅無遺

諾貝爾物理獎 3人共享

……

瑞典皇家科學院指出,獲獎的五十二歲美國科學家佩爾莫特爾、四十四歲美裔澳洲學者施密特以及四十二歲美國科學家黎斯,在觀測所謂的「1A型超新星」時,發現超過五十顆遙遠的超新星亮度比之前預期的微弱。

觀察超新星 計算宇宙膨脹速度

由於超新星是由密度極高而體積很小的白矮星爆炸而成,每顆「1A型超新星」爆炸時發出的能量和射線強度一致,因此在地球上觀測「1A型超新星」亮度的變化,可以準確推算出它們和地球距離的變化,並據此計算出宇宙膨脹的速度。

這些超新星的亮度比預期微弱,代表它們的距離比預期遙遠,因此三人認為,宇宙在大爆炸(Big Bang)之後開始擴張,且膨脹的速度並未如一些人預期的趨緩,而是以「令人咋舌」的速度加速膨脹,由於空間擴張,物質彼此的距離加大,導致宇宙氣溫降低,最後將變成空間非常非常大、但溫度非常非常低且黑暗一片的地方。

頌詞指出:「近一個世紀以來,已知宇宙是因為約一百四十億年前的宇宙大爆炸而持續擴張,但擴張正在加速的發現讓人震驚,如果擴張繼續加速,最後宇宙會變成一片冰封。」諾貝爾獎委員會將佩爾莫特爾等人的發現比擬為:「把球丟到空中,沒看到球掉下來,卻看著它以越來越快的速度消失在天空中,好像是重力無法反轉這顆球的軌跡。宇宙間似乎也在發生類似情況。」

驅使宇宙加速膨脹的因素,據信是構成四分之三個宇宙的所謂「暗能量」。目前宇宙學家對暗能量所知甚少,只能推測暗能量似乎是一種與重力相反的力量,會驅逐接近它們的物質,因此是宇宙加速膨脹的能量來源。

……

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eliu

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我比較想知道暗能量如何造成宇宙的擴張,用電場 or 磁場的排斥力解釋都好像怪怪的,因為這兩種排斥力都不會產生愈遠擴張速度愈快的現象。

ychao
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eliu

我比較想知道暗能量如何造成宇宙的擴張,用電場 or 磁場的排斥力解釋都好像怪怪的,因為這兩種排斥力都不會產生愈遠擴張速度愈快的現象。

沒錯,小弟最近有多讀了一些相關的資料,所謂的「暗物質」是從不同星系旋臂的速度,還有重力透鏡等的現象觀測推估出來的。而目前觀測到的「加速」膨脹現象,沒有辦法單單從電磁力來解釋。(四大力學的另外三個:重力只會相吸,微中子就算質量是負數恐怕也太小,強作用力與弱作用力只在原子核尺度才顯著) 如果是宇宙大爆炸留下來的推力,那理當隨宇宙膨脹而逐漸減速。所以這個無法解釋的推力,就直接被稱為「暗能量」,跟「暗物質」的命名法則一樣,其實非常沒有建設性。 XD

ps. 拜託別「寶傑」上身...

 

暗能量宇宙學簡介

http://psroc.phys.ntu.edu.tw/bimonth/download.php?d=1&cpid=14&did=3

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eliu

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原來早就有人提出宇宙是旋轉的想法囧

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eliu

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既然有宇宙大爆炸(big bang) 的理論,那是否代表有宇宙中心(爆炸中心)?google center of universe,都是說宇宙沒有中心。

不是很懂為何宇宙沒有中心,不太相信。不過也有人說沒有宇宙大爆炸。

現在觀察到,許多星雲、星系的中心都有超級大黑洞,那宇宙的中心是否可能也有黑洞?

或許目前還沒觀測到宇宙中心的黑洞,或許這個宇宙的中心黑洞夠大時,宇宙會開始停止擴張,開始變成收縮的方向。

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ychao
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星際物質會形成旋轉其實就某方面來說相當「合理」,只要impact parameter不為零(運動方向與重力方向沒有對上),自然就有了角動量。而角動量必須守恆的情況下,自然就得靠旋轉來抵銷。不過上面那個說宇宙一開始就是旋轉的,我就不太清楚了。

宇宙的中心?是質量中心?重力的中心?還是幾何中心?或是爆炸中心?甚至是旋轉的中心?就目前不曉得宇宙的邊際,也不曉得物質的分佈是否和觀測的相同,也不曉得分佈是否均勻,更不清楚演化至今的過程。 (得問從事宇宙各方向差異性、細微結構跟演化的人...)

宇宙大爆炸只是理論,目前只能說多項證據支持這個說法。就好像有些人不相信演化論,寧可支持某個「角色」指導的說法。也許只有等到時光機發明出來才有解吧?不過反正我是信了。

宇宙擴張的終點?印象中目前觀測的結果是「平坦」的宇宙,當然有可能我記錯,或是有人算錯吧?(理由前面dark matter/energy都提了)

eliu

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eliu
有人提出黑暗物質來解釋宇宙的擴張,不過目前還沒有實際觀測到黑暗物質,我也搞不懂宇宙擴張與暗黑物質有何關連。

星雲內的星系以很快的速度圍繞星雲的中心運轉,可是可觀測到的星星的質量(有包含黑洞?)造成的萬有引力應該是無法維持這個運轉速度,應該會散開來。有人解釋可能有看不到暗黑物質造成的萬有引力維持運轉速度。

一個比較精確的研究認為,銀河系不存在暗黑物質。

eliu

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用 8.2m 的 subaru 天文望遠鏡,天文學家看到最遠的星系是距離127億光年,距離大爆炸的時間只有10億光年。天文學家用紅位移來推算距離。這些星系的總質量應該有銀河系的數千倍,在這麼遠的距離,只有超大的星系才看得到。

eliu

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或許宇宙是一個單一的原始黑洞產生的,此黑洞一開始就是高速旋轉,所以爆炸時星系也會旋轉。

當宇宙進入收縮時期時,旋轉的星系吸入終極中心黑洞時,由於角動量守衡,黑洞也會吸收星系的角動量而旋轉。由於黑洞的密度很高,半徑很小,根據角動量守衡可想而知,旋轉的速度一定超快的,或許這個黑洞的高速旋轉也是宇宙大爆炸的主要力量之一。

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eliu

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eliu
或許宇宙是一個單一的原始黑洞產生的,此黑洞一開始就是高速旋轉,所以爆炸時星系也會旋轉。

其實可以用旋轉的黑洞解釋為何距離愈遠的星系,擴張的速度愈快。

黑洞是超高密度的固體(?),每一點的旋轉速度與球心的距離成正比,所以愈外面的速度愈快。所以當發生宇宙大爆炸時,也是外面那一層飛出去的速度最快。這樣就產生外層擴張速度最快的現象。

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eliu

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宇宙中的核反應(分裂、融合) 都是把物質化為能量,那有沒有把能量還原成物質的機制?

黑洞是連光線都逃不出的地方,光線是一種電磁波能量,或許在黑洞可以把能量擠壓還原成物質。

不過有問題是假設有許多巨大的黑洞造成宇宙收縮時期,那宇宙邊緣的電磁波能量是否可以藉黑洞抓回來?如果抓不回來,那代表宇宙會喪失能量。

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ychao
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eliu

宇宙中的核反應(分裂、融合) 都是把物質化為能量,那有沒有把能量還原成物質的機制?

只要能量大於粒子加反粒子對的質量和,就有「機會」對生出來。粒子與反粒子「對滅」則會產生相當其質量和的能量。CMBR現在約2.7K,相當於 0.235 meV,遠小於電子質量 0.5 MeV,也遠小於目前估計微中子的質量上限 0.2 eV。

 

黑洞是連光線都逃不出的地方,光線是一種電磁波能量,或許在黑洞可以把能量擠壓還原成物質。

因動量守恆的關係,觀測到的黑洞在兩極會有噴流(jet)。只要能量夠高就可以產生粒子加反粒子對。不過黑洞內奇點沒人知道那是什麼。

 

不過有問題是假設有許多巨大的黑洞造成宇宙收縮時期,那宇宙邊緣的電磁波能量是否可以藉黑洞抓回來?如果抓不回來,那代表宇宙會喪失能量。

黑洞可以把光抓進去,光就是一種電磁波。宇宙的大小如果是由可觀測的參數決定的話,那從大爆炸開始產生的能量走到現在的距離,就是宇宙的邊緣。當然還要考慮到宇宙膨脹的影響,這個我不熟。

eliu

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不是說光在黑洞的 event horizon 內才逃不出?或許光在 event horizon 裏面會被減速到停止。

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ychao
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eliu

不是說光在黑洞的 event horizon 內才逃不出?或許光在 event horizon 裏面會被減速到停止。

黑洞的重力會影響時空 manifold,讓光的路徑「轉彎」。光走最短路徑,一般是走直線,但類似球座標上的最短路徑是大圓而不是直線。

光在 event horizon 裏面就「轉不出去」,一樣走光速並不會停止。(因為其靜止質量為零)

eliu

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eliu
不是說光在黑洞的 event horizon 內才逃不出?或許光在 event horizon 裏面會被減速到停止。

Stephen Hawking's 新理論說 event horizon 有可能不存在

或許黑洞中心看不到的原因是因為發射出來的電磁波是已知宇宙射線中波長最短的,傳不遠或是目前的科技沒辦法偵測到。

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ychao
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黑洞會蒸發,旋轉的黑洞會在兩極產生噴流,這些似乎早已經是普遍接受的觀點,後者還是觀測得來的。不太能理解這篇新論文的重點在哪?也許是想說 event horizone 也有測不準性吧?(應該與光/電磁波波長無關)

eliu

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eliu
Stephen Hawking's 新理論說 event horizon 有可能不存在

或許黑洞中心看不到的原因是因為發射出來的電磁波是已知宇宙射線中波長最短的,傳不遠或是目前的科技沒辦法偵測到。

Laura Mersini-Houghton & Harald Peiffer 發表在 ArXiv 的論文說,黑洞不存在。如果黑洞不存在,宇宙起源的 Big Bang 大爆炸的理論也可能不存在。

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