[轉貼]天文小百科之宇宙學 (Cosmology)

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大爆炸 (The Big Bang)	在很久以前 (讓我們把這一刻稱為 t=0)，宇宙所有物質都集中在一個極細的空間內，物質被擠壓在原始火球 (primordial fireball) 之內，在 t=0.0001 s，宇宙充滿著能量極高的輻射，溫度約為 1012 K，密度約為 1013 g/cc。開始了一個輻射主導(radiation-dominated) 的宇宙，高能的輻射不斷與物質產生相互作用。由於宇宙充滿高能的輻射，而能量根據 E=mc2 轉化成物質，產生粒子-反粒子對 (particle-antiparticle pair); 在最初的幾秒鐘產生了質子，中子和電子，粒子-反粒子的煙滅又變回能量，早期宇宙對於輻射是不透明的。因為某些量子力學的原故，宇宙中粒子的數目比反粒子多，所以我們現在的宇宙由物質組成，沒有反物質。然後宇宙在膨脹中冷卻，大約在 t=3 min 以前，一些質子和中子變成重氫 (deuterium)，最後更變成氦，較輕的原素 (主要是氫和氦) 開始形成。大約在 t=30 min 以前，核子反應結束，早期的宇宙大約由 75% 的氫和重氫和 25% 的氦構成。大約在一百萬年以前，宇宙溫度約為 3000 K，原子核開始和電子結合成原子，相對來說，原子較少和輻射產生相互作用，宇宙變得透明，並且以物質主導 (matter-dominated)。當宇宙不斷膨脹，那些 3000 K 輻射的波長變長，直至現在已被「拉長」約一千倍，變成我們今天觀測到的宇宙背景輻射 (cosmic background radiation)，波長約 1 mm (微波)，看起來好像是從一個溫度為 2.735 K 的物體發射出來一樣。背景輻射大致上是各向同性 (isotropic) 的 (除了在獅子座方向，由於銀河系的運動而引致的藍移和在相反方向的紅移)。由量度宇宙膨脹速度的變化估計，宇宙的年齡界乎 100 億至 200 億年之間：哈勃太空望遠鏡的觀測數據顯示宇宙年齡約為 120 億年，如果從最老的球狀星團的年齡估計，則宇宙年齡約為 150 億年。
重力透鏡作用 (Gravitational Lens Effect)	同一顆類星體產生兩個或以上的影像，這是由於類星體發出的光線被星系的引力埸扭曲，這亦証明了一些類星體比暗星系還要遠。
各向同性 (Isotropy)	在極大尺度下觀測，宇宙在各個方向的性質相同。
宇宙學原理 (Cosmological Principle)	即是均勻性 + 各向同性。經演化的修正後，在宇宙中任何地方的觀測者將看到相同的宇宙性質，亦即是說在宇宙中沒有特殊的地方，整體來看，宇宙中任何地方都是一樣的，而宇宙沒有邊界，也沒有中心。
宇宙時空的幾何 (Geometry Of Space-Time)	宇宙時空的幾何受物質的分佈支配。廣義相對論預期質量會使時空扭曲，物質越多，時空被扭曲得越嚴重。如果宇宙物質的密度等於臨界密度 (critical density)，時空的曲率等於零，這樣的一個平直的宇宙 (flat universe)，擁有無限的時空，而且無邊界。如果宇宙物質的密度大於臨界密度，時空的曲率是正數，得出一個閉合的宇宙 (closed universe)，擁有有限的時空，但無邊界。至於如果宇宙物質的密度小於臨界密度，時空的曲率是負數，結論將會是一個開放的宇宙 (open universe)，擁有無限的時空，而且無邊界。
均勻性 (Homogeneity)	宇宙物質在極大尺度下的分佈是均勻的。
物理定律之普遍性 (Universality Of Physical Laws)	物理定律可應用於宇宙中任何地方。
星系光譜的紅移 (Redshift In The Spectra Of Galaxies)	觀測發現所有遙遠星系的光譜皆呈現紅移，從多譜勒效應的原理可知，星系正以高速遠離我們。
哈勃定律 (Hubble Law)	一個遙遠星系遠離我們的速度和它的距離成正比。星系距離我們越遠，它的後退速度越大，由此推斷宇宙正均勻地膨脹，每一個星系都以高速遠離其他星系，但宇宙並沒有膨脹的中心。
臨界密度 (Critical Density)	約為 4×10-30 g/cc，是開放與閉合宇宙的分界線。如果現在物質的密度 = 臨界密度，就是一個平直的宇宙，宇宙膨脹的速度隨時間減慢，在一段極長的時間後，膨脹的速度趨向零。如果現在物質的密度 > 臨界密度，我們就是身在一個閉合的宇宙，宇宙膨脹減慢以至停止，然後開始收縮，引致大塌縮，宇宙最終產生另一次新的大爆炸，重複整個過程。但是如果現在物質的密度 < 臨界密度，就會得出一個開放的宇宙，宇宙膨脹速度雖然會隨時間減慢，但永不會停止，星系最終變成宇宙中黑暗的孤島。現在我們觀測得的宇宙密度約為臨界密度的 10%，但不包括看不見的黑暗物質，估計宇宙所有物質的密度加起來很接近臨界密度。量度極遙遠星系的距離，可推斷出宇宙膨脹速度之變化，從而決定宇宙的命運。現在的觀測數據比較支持宇宙是開放的。
類星體 (Quasars)	又稱為 Quasi-stellar objects，簡稱 QSO。細小而擁有極大的紅移光譜的恆星狀物體。例如 3C 273：16%，3C 48：37%，還有很多的紅移比 100% 還要大，它們正以高速遠離我們 (差不多接近光速)。光度亦在短時間內 (數星期或數月內) 激增，如果這強大的紅移現象真的是由於宇宙膨脹而產生的，這些類星體必定與我們距離極之遙遠 (1010 ly)，我們所看見的是他們在宇宙年輕時的影像 (約幾十億年前)。如果它們真的這麼遙遠，而我們又能看見它們，它們當是高光度 (superluminous)，它們所發出的能量應比一般星系大十至千倍。一些紅移比較小的類星體會在一些擁有相同紅移的星系群中出現，它們的距離相約。差不多所有類星體都離我們很遙遠，在早期宇宙中類星體是很普遍的，它們跟星系的形成和星系早期的演化有很大關連，一些天文學家提出類星體可能演化成活星系，而很多普通星系在中心區都擁有一個超級黑洞。科學家懷疑類星體其實是一個在星系中心的超級黑洞，在活躍星系中心的超級能源供應站，而每年都有 0.01-10 太局頞q的物質掉進黑洞，摩擦力使旋盤加熱，導致高能量輻射和噴流的形成。
類星體絨毛狀結構 (Quasar Fuzz)	一些紅移比較小的類星體被絨毛狀結構包圍著，這些絨毛狀結構的光譜跟典型星系的一樣，這証明了類星體身處一些星系之中。