自然问题 (Natural Questions)
- 宇宙是无限的还是有限的？
- 宇宙有多大？
- 宇宙有多老？
- 宇宙有开端吗？
距离尺度 (Distance Scales)
- 天文单位 (astronomical unit, AU)：地球到太阳的距离，约8.3光分。
- 银河系 (The Milky Way Galaxy)：包含1000亿到4000亿颗恒星，直径约10万光年。
奥伯斯佯缪 (Dark Sky Paradox / Olbers' Paradox)
- 提出者：海因里希·奥伯斯 (Heinrich Olbers)，1826年。
- 佯缪内容：如果宇宙是无限且处于稳态，则天空应该处处明亮。
- 可能的解释：
- 远处恒星的光被空间中的暗物质 (dark matter) 吸收（但暗物质最终会加热并发光）。
- 宇宙范围有限。
- 解决方案：宇宙不是无限的，也不是静态的，而是在膨胀。
宇宙大爆炸假说 (Big Bang Hypothesis)
- 提出者：乔治·勒梅特 (George LeMaitre)，1927年，提出“宇宙蛋”假说。
- 名称来源：英国天文学家弗雷德·霍伊尔 (Fred Hoyle) 在1949年的一次广播节目中提出，原为嘲笑此想法。
- 定义：宇宙在遥远的过去某个特定时刻从一个“大爆炸”中诞生。
宇宙大爆炸的证据 (Evidences for the Big Bang)
红移 (The Red Shift)
- 电磁辐射 (Electromagnetic Radiation)：能量的传播，涉及电场和磁场耦合波。具有波长 (λ) 和频率 (frequency)。光速恒定 (3 x 10⁸ m/s)。光子能量与频率成正比。
- 光与元素 (Light and element)：每个元素都有特定的吸收或发射光的波长，形成光谱指纹。通过分析光谱可以确定元素的种类和含量。
- 夫琅和费光谱 (Fraunhofer spectrum)：太阳光谱中的暗线，由太阳外层气体吸收特定波长的光形成。
- 红移现象：来自其他星系的光谱中的暗线向红色端移动。
- 多普勒效应 (Doppler effect)：波源相对于观察者移动时，波的频率发生变化。
- 结论：所有星系都在远离我们移动，宇宙正在膨胀。解决了奥伯斯佯缪。
测量距离 (Measuring distance)
- 几何法 (Geometry)：
- 视差 (parallax)：通过观察恒星在地球绕太阳轨道不同位置时的视差角来测量距离。只适用于银河系内较近的恒星。
- 1秒差距 (parsec) = 3.26光年。
- 标准烛光法 (Standard Candles)：已知真实亮度的天体，通过测量其视亮度来推算距离。
- 造父变星 (Cepheid Stars)：一种亮度周期性变化的恒星，其光变周期与真实亮度存在关系（周期-光度关系 period-luminosity relationship）。
- Ia型超新星 (Type Ia Supernovae)：白矮星吸积伴星物质后发生的爆炸，亮度基本一致，可用于测量更远距离。
- 对于非常遥远的星系：假设遥远星系团中的星系大小和亮度分布与“附近”星系团相似。
哈勃定律 (Hubble's Law)
- 发现者：爱德温·哈勃 (Edwin P. Hubble)，1929年。
- 内容：星系的退行速度 (recession velocity) 与其距离 (distance) 成正比。
- v = H₀L
- H₀ = 哈勃常数 (Hubble constant)
- 结论：所有星系似乎在约137亿年前从同一个地方开始运动，这支持了宇宙大爆炸理论。
- 宇宙年龄 (Universe Age)：约为1/H₀，约137亿年。
- 宇宙膨胀的含义：不是星系在空间中移动，而是空间本身在膨胀，导致星系之间的距离增加。
宇宙微波背景辐射 (Cosmic Microwave Background Radiation, CMBR)
- 预测者：乔治·伽莫夫 (George Gamow)，1948年，预测宇宙中存在残留的背景辐射。
- 发现者：阿诺·彭齐亚斯 (Arno Penzias) 和罗伯特·威尔逊 (Robert Wilson)，1964年，意外探测到均匀的微波背景辐射，为此获得1978年诺贝尔物理学奖。
- 内容：宇宙中存在各向同性的、温度约为2.7K的黑体辐射 (Blackbody Radiation)。
- 黑体辐射：所有物体都会发射辐射，其波长和强度随温度变化。
- 结论：CMBR被认为是宇宙大爆炸留下的余辉，是支持大爆炸理论的重要证据。
- 宇宙背景探测者 (Cosmic Background Explorer, COBE) 和威尔金森微波各向异性探测器 (WMAP) 探测到CMBR的微小温度波动，反映了早期宇宙的密度涨落。
元素起源 (Origin of the Elements)
- 宇宙物质的H/He比例 (H/He Ratio of Universal Matter)：宇宙中的核物质主要由氢和氦组成，氢约占74%，氦约占25%，重元素少于1%。
- 结论：观测到的氢氦比例（约3:1）与大爆炸模型对早期宇宙密度、温度和膨胀率的预测高度吻合，是支持大爆炸理论的有力证据。
暗能量和暗物质 (Dark Energy and Dark Matter)
- 暗能量 (Dark Energy)：观测数据显示，更遥远的星系退行速度更快，表明宇宙膨胀正在加速。可能存在一种排斥力克服引力作用，被称为暗能量。
- 暗物质 (Dark Matter)：银河系等星系的旋转速度不符合开普勒第三定律（距离引力源越远，旋转速度越慢）。这表明存在一种不可见的物质提供了额外的引力，被称为暗物质。
- 结论：我们所知的普通物质只占宇宙总质量的一小部分，大部分是暗能量和暗物质。
现代宇宙学中的“两朵乌云” (Two Clouds in Modern Cosmology)
- 指的是暗能量和暗物质的存在，是当前宇宙学研究的重要课题。
未来探测 (Future Exploration)
- 詹姆斯·韦伯空间望远镜 (James Webb Space Telescope, JWST)：于2021年发射，用于观测早期宇宙、星系形成和系外行星大气特征。
- PLATO 空间望远镜 (PLAnetary Transits and Oscillations of stars, PLATO)：欧洲空间局计划于2026年发射，重点搜寻类地宜居系外行星。
- 中国空间计划：上海天文台提出的ET (EarthTwo) 卫星计划，旨在寻找系外行星。
总结 (Summary)
- 红移表明星系都在远离我们。
- 通过标准烛光和星系大小测量距离。
- 退行速度与距离的相关性（哈勃定律）表明宇宙约在137亿年前从一个点开始膨胀（大爆炸）。
- 宇宙微波背景辐射和宇宙物质的氢氦比例是支持大爆炸理论的进一步证据。