天文大统一模型

第三节　天文大统一模型

把大爆炸宇宙学和恒星演化理论衔接起来，我们能够系统地用自洽的科学语言描述宇宙从诞生开始直到演化成今天所见的包罗万象的天文世界。为此我们杜撰一个名词，叫做“天文大统一模型”。

把宇宙作为一个整体来考虑，首先要确定宇宙间的物质之间以及物质和空间、时间的关系。1916年，爱因斯坦提出广义相对论。这一理论主张，时间和空间并不像人们一贯认为的那样，只是一个让物体在其中运动而本身却不受影响的容器，而更像是一个形状依赖于其上所载的大小不一的物体的弹性薄膜。自由粒子和光沿着这一形变薄膜上弯曲的短程线运动的路径，就象它们在物体引力的作用下偏离直线运动的轨迹一样。这种关于时间、空间和引力的新理论，不仅正确地预言日全食时能看到掠过太阳边缘的星光发生1.75角秒的偏折，而且完满地解释了牛顿引力理论不能说明的水星近日点每百年前移43角秒的现象。1917年，爱因斯坦率先把他的广义相对论应用于宇宙学研究，揭开了科学宇宙学的序幕。1924年，弗里德曼在广义相对论的框架下，从理论上论证了宇宙要么膨胀，要么收缩，而不会保持静止。1929年哈勃发现了哈勃定律，为弗里德曼的宇宙学模型提供了观测依据。

按照目前测定的哈勃常数H，可以估计出我们宇宙的开端——“大爆炸”发生在距今100亿年～200亿年前。宇宙中一切天体的年龄都不应超出这个“宇宙龄”所界定的上限。借助卢瑟福所开创的利用物质中放射性同位素含量测定其形成年代的方法，人们测量了地球上最古老的岩石、“阿波罗号”的宇航员从月球上带回的岩石以及从行星际空间掉到地球上的陨石等样本，发现它们的年龄均不超过47亿年。恒星的年龄可以从恒星演化理论来估计，得到银河系中最古老的恒星的年龄为100亿年～150亿年。用这些各不相同的方法得到的天体年龄均与“宇宙龄”不矛盾（而且相当协调一致！）。

根据20世纪40年代伽莫夫等人开创的对早期宇宙高密状态的研究，人们现在普遍认为那时的宇宙应当非常炽热。在大爆炸后一秒钟之前，宇宙中的温度高于1.0×10¹⁰K。那时不仅不可能存在星系、恒星、地球，甚至除氢核外也没有其它化学元素，只有处于热平衡状态下的由质子、中子、电子、光子等基本粒子混合而成的“宇宙汤”。起初，中子和质子的数量几乎相等。随着膨胀，密度减小，温度降低，两者的比例逐渐下降，在约3分钟时达到了1∶6左右。当温度降到1.0×10⁹K时，中子和质子合成氘核的反应开始，类似氢弹爆炸时发生的聚变过程迅速把所有的中子合成到由两个质子和两个中子构成的氦核中。由此不难算出，氦同氢的质量比应约为1∶3。天文观测表明，无论在恒星、或星际物质中，氦与氢的比例大体与此相符。同一时期合成的氘、氚、锂、铍、硼等轻元素，尽管数量小得多，但它们的丰度（即与氢的比例）也有类似的普适性。这对大爆炸模型无疑是一个有力的支持。

前面说过，大爆炸后几分钟，宇宙经历类似氢弹爆炸，成为处处充满了温度1.0×10⁹K左右光辐射的火球。由于处于热平衡中，这种辐射强度随波长的分布服从普朗克分布（或称黑体谱）。随着宇宙的膨胀，辐射温度不断下降，但始终保持黑体谱形和总体均匀性。按伽莫夫等人在20世纪40年代的计算，宇宙膨胀到现在，这个辐射应表现为均匀地充满空间的温度约5K的背景黑体辐射。1964年美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊用一架卫星通讯天线在7.35cm波长处探测到了一种来自宇宙空间的、强度与方向无关的3K辐射。这很快被证认为伽莫夫预言的宇宙背景。1989年，为此专门发射了“宇宙背景探测者”卫星，第一批卫星数据表明：在从0.5mm到5mm的整个波段上，该辐射的谱分布与温度为2.375K±0.06K的理想黑体吻合；在扣除了运动效应以后，天空不同方向的相对温差小于一万分之一。这无庸置疑地证明了微波背景辐射的黑体性和普适性。它是大爆炸宇宙学模型的令人信服的证据。

这些“早期宇宙”的物理及其预测，使大爆炸宇宙学能够通过实测检验以求发展，这一切是从大爆炸发生后约1s，宇宙温度为1.0×10¹⁰K时开始的，更早期的情况是温度更高，例如上溯到大爆炸后百分之一秒，温度为1.0×10¹¹K，相应的能量为1.0×10⁷eV，也就是进入了高能物理学的研究领域。这一时刻及在它之前的宇宙称为“极早期宇宙”。人们探索微观世界和宇宙结构的努力在这里会合了。这里我们将先概说20世纪70年代以来粒子物理学家和宇宙学者联手勾画出的宇宙“极早期”演化史，然后再接着前面所说的“早期宇宙”的历史，看它是如何逐次演变到我们今天所认识的天文世界的。

宇宙极早期指的是100多亿年前大爆炸的一瞬间。起初不仅没有任何天体，也没有粒子和辐射，只有一种单纯而对称的真空状态以指数方式膨胀着（这种膨胀比随着发生的弗里德曼模型的膨胀剧烈得多，称为“暴胀”。今天我们所知道的自然界中四种基本相互作用力，即引力、强力、弱力和电磁力，那时是不可区分的。随着宇宙的膨胀和降温，真空发生一系列相变（如同水在降到0℃时变成冰那样）：在大爆炸后10^－44s，发生超统一相变，引力作用首先分化出来，但强、弱、电三种作用仍不可区分，夸克和轻子可以互相转变；到大爆炸后10^－36s，大统一相变发生，强作用同电、弱作用分离，物质和反物质之间的不对称性（即质子、电子等这类物质多于反质子、正电子之类反物质的现象）开始出现；10^－10s以后，弱电相变发生，弱作用和电磁作用分离，于是完成了四种相互作用逐一分化出来的过程。到这个阶段，宇宙间已具备了构成我们所熟悉的物理世界的最原始和最基本的素材与条件。

现在回到早期宇宙以后。从大爆炸发生后3分钟再经过约70万年，宇宙的温度降到3 000K，电子与原子核结合成稳定的原子（这个过程称为复合），光子不再被自由电子散射，从此宇宙变成透明的。又过了几十亿年，氢、氦等中性原子在引力作用下逐渐凝聚为原星系。原星系聚在一起形成等级式结构的星系集团。与此同时，原星系本身又分裂形成千千万万个恒星。恒星的光和热是靠燃烧自己的核燃料提供的。其后果是合成碳、氧、硅、铁这些早期宇宙条件下不能产生的重元素。在恒星生命即将结束时，它以爆发的形式抛出含有重元素的气体和尘粒。这些气体和尘粒是构成新一代恒星的原料。在一些恒星周围，冷的气尘会坍缩成一个旋转的薄盘。这些物质通过相互吸引碰撞粘合，最后形成从小行星到大行星的形形色色天体。

前面说过，把大爆炸宇宙学和恒星演化理论衔接起来足以系统地描述整个天文世界的现象。这个衔接首先是前一节所说的所有的恒星最初都是由氢和氦为主的原始气体云凝聚而成的。而根据大爆炸宇宙学计算出的宇宙间所含氢和氦大约是74%和24%。这与恒星和星际物质实测丰度相符。前面说过，其它轻元素、包括同位素，如氘、锂等的计算丰度也和实测一致。恒星起源问题，早在17世纪，牛顿就提出过散布于空间中的弥漫物质可以在引力作用下凝聚为太阳和恒星的设想。这一设想现在已经发展成为一个相当成熟的理论。观测表明，星际空间存在着许多由气体和尘埃组成的巨大分子云。这种气体云中密度较高的部分在自身引力作用下会变得更密一些。当向内的引力强到足以克服向外的压力时，它将迅速收缩落向中心。如果气体云起初有足够的旋转，在中心天体周围就会形成一个如太阳系尺度的气体盘，盘中物质不断落到称为“原恒星”的中央天体上。在收缩过程中释放出来的引力能使原恒星变热，当中心温度上升到1.0×10⁷K，足以引发热核反应时，一颗恒星就诞生了。根据诞生时的环境条件，恒星的质量范围在0.07～100个太阳质量之间。更小的质量不足以触发热核反应，更大的质量则会由于产生的辐射压力太大而瓦解。近年来，红外天文卫星探测到成千上万个处于形成过程中的恒星，毫米波射电望远镜在一些原恒星周围发现由盘两极射出的喷流。这些观测结果对上述理论都是有力的支持。

恒星形成后的光和热的来源，是其中心由氢聚变为氦的热核反应。当这种反应产生的辐射压力达到与引力平衡时，恒星的体积和温度不再明显变化，进入一个相对稳定的演化阶段。因为氢是宇宙间最丰富的元素，也是构成恒星的原材料中最丰富的，所以恒星在它发光的生命历程中停留在“氢燃烧”阶段的时间最长。迄今发现的恒星有90%处在这一阶段（包括太阳）。把这一阶段恒星的参数点在赫罗图上正是处在恒星数目极其密集的“主星序”线上。按照这个演化理论，不同原始质量的恒星从开始氢燃烧直到氢燃料耗尽，其在赫罗图中的位置一直停留在“主星序”上。在此之前和之后的演化阶段将按各自的轨迹偏离主星序。这些偏离也都是可以根据理论计算并和实测对照的。主星序阶段的逗留长度取决于恒星质量的大小。对于太阳来说约100亿年，而质量比太阳大10倍的恒星则只有3 000万年。当恒星核心部分的氢全部聚变为氦以后，产能过程停止，辐射压力下降，星核将在引力作用下收缩。收缩产生的热将使温度再一次升高，达到引发氦燃烧的程度，结果是将3个氦核聚合成1个碳核。类似的过程继续下去，将合成氧、硅等越来越重的元素，直到合成最稳定的铁为止。重于铁的元素，则通过恒星内部自由中子吸收过程，特别是在下面将要说到的“超新星爆发”时的“快过程”中形成。

当恒星内部的核燃料耗尽后，原来由热核反应维持的辐射压消失，星体在引力作用下收缩下去，直到出现一种新的斥力能与之抗衡为止。于是恒星进入它的老年期。恒星的归宿与其初始质量有关。初始质量小于太阳质量8倍的恒星最终将成为白矮星（一种颜色白，光很暗，尺度很小的恒星）。质量为太阳质量8～50倍的恒星在核燃料耗尽后会发生极猛烈的爆发，在短短几天中亮度陡增千万倍甚至亿倍，称为超新星。爆发后留下的星核的尺度只有同质量的一般恒星尺度的百万分之一，几乎全部由中子紧紧堆成，称为中子星。原始质量更大的恒星最终将变为黑洞——一种引力强大到连光线都无法射出的天体。

太阳作为一个非常普通的恒星，年龄大约50亿岁。它是由一团缓慢转动的气体云凝聚而成。云中除了大爆炸产生的原始气体外，还掺杂有前代恒星经超新星爆炸抛到空间的物质。在形成时期，围绕着中央原恒星旋转的尘粒气体盘，分裂并结合成行星、小行星、卫星等太阳系天体。这样，包括地球，以及地球上的一切，包括人类自己，所有结构的成分都可以“寻根”到100多亿年前的大爆炸；而100多亿年中的历史，则可以由目前所认识到的物理学建造“模型”加以描述。

这个“天文大统一模型”和一切“物理模型”一样，是目前能够比较好地解释观测现象的一种理论框架，但并不是唯一的解释。它能够为天文学科进一步“按图索骥”提供引导，但同时又不断邀集挑战、迎接实测和理论的挑战，追求自我改观、深化学科的认识。

在目前面临的几个重大挑战中，属“视限空白区”最大的星系层次占很大的比重。其中有：

（1）星系分布的大尺度结构。星系是由数十亿至数千亿颗恒星和气体尘埃构成的庞大天体系统，其大小从数千到数十万光年。现代望远镜能观测到的星系数目估计有数十亿个。它们在空间的分布同微波背景辐射相比，是很不均匀的。它们有成团的趋势：有的三三两两靠在一起，有的构成含数十个成员的星系群，还有由成百上千个星系组成的星系团。人们利用哈勃定律通过谱线红移测定了数万个星系的距离，从而描绘出星系在三维分布中的图像。分析结果表明，星系象是集中在一堆肥皂泡的泡壁上：壁上星系密度为平均值的5倍，而泡内密度则为平均值的1/5（称为“空洞”）。20世纪80年代末，发现了目前宇宙中已知的最大结构——长达5亿光年的“长城”，在那里集中了比最大的星系还大1万倍的质量！这样大尺度的不均匀性是如何形成的，除了引力之外还有无别的力量参与？这是任何宇宙演化理论都必须回答的关键问题之一。

（2）早在20世纪30年代，在星系团动力学的研究中，发现由动力学方法测定的星系团质量远大于由光度推算出来的质量。这就是说，存在着未能直接探测到的“暗物体”。尔后发现，各类天体中暗物体与可视物体之比，随天体尺度而异。尺度越大的天体，暗物体的比例越大。总起来，平均宇宙密度中，暗物体要占90%，它们是一时还探测不到的暗弱红星、行星、气体？是根本没有光信息的黑洞？或带有微小质量的中微子？或除引力作用外不参与其它作用的某种亚原子粒子？暗物体在宇宙整体中份量如此之大，这个问题是摆在我们面前的一大挑战。

（3）星系形成时期，目前的天文望远镜还无力探测。星系的演化，可以通过观测一批不同红移的星系来研究，目前只能说是初见端倪。星系层次中引人瞩目的类星体，以及随后与类星体归入同一门类的各种活动星系核，自20世纪60年代以来一直强烈地吸引着实测和理论探讨。类星体一开始就以高红移值突出其特异性。相应的距离为数十亿到百余亿光年。这是在“视限空白区”中的一个重大开拓。类星体的亮度和变光表明，每秒钟发出的能量比最强的星系还要强几百倍乃至更多。而这种能量是在核心处1光年数量级的小范围中发出的。类星体（以及活动星系核）披露的许多现象和引发的许多问题都处在当前天文研究的前沿，但是，什么是它的“中央产生机器”始终是对当代科学的一项挑战。

除星系层次外，最严重的挑战还有太阳中微子的实测所得的量不及理论计算的1/3。这牵涉恒星演化理论的根本性内容。当然，也要求对中微子的性质作更全面的了解。