科普:你對宇宙有多少了解?

1.太陽系從何而來

太陽系源於大約46億年前一次超新星爆發殘留的星際殘骸,中心天體太陽佔據太陽系總質量的99.86%,最大的行星木星的質量,大於除太陽之外所有太陽系物質的總和。

下圖就是恆星死亡之後留下的星雲,其中的閃光點,就是在母星留下的殘骸中形成的新恆星。

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2.太陽系的組成

太陽系中只有一顆恆星,太陽,是一個宇宙中不算常見的單星系統。其中有8顆行星,其中靠近太陽的是四顆類地行星,火星之外,是四顆氣態行星。在海王星之外還有一些矮行星,比如著名的冥王星。在矮行星之外,是一些冰凍的小行星帶,叫柯伊伯帶。在距離太陽最遠為1光年的地方,有一片區域叫:奧爾特星雲。其物質大概是太陽系誕生初期殘留的一些原始物質,很多彗星就來自這個地方。

如果把太陽縮小為一個教室的大小,放在學校操場的中間,那麼最近的水星,將在距離操場三百米的馬路上,地球將距離1000米,而最遠的海王星,將距離28.2千米。但這只是太陽系很小的一部分,奧爾特星雲將在距離操場10萬千米的地方。

人類發射的衝出地球最遠的飛行器,旅行者1號,目前,已穿過太陽風影響範圍的近段,即飛出日光層進入星際空間,但以目前速度,到達奧爾特星雲至少還需要200-300年的時間,但穿過奧爾特星雲則需要將近3萬年的時間,也就是說真正衝出太陽系即脫離太陽的引力範圍所需要的時間。

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3.太陽的未來

太陽屬於宇宙中的恆星中質量相對較小的一類。是出於主序星階段的一顆紅矮星。恆星質量越大,壽命越短,質量越小,壽命越長,很幸運,太陽屬於後者。太陽正處於壯年,已經燃燒了將近50億年,還有50億年的壽命。而壽命最短的紅超巨星,壽命大概最短只有1000萬年。

未來50億年,太陽將走入它生命的後半部分,當期內部氫逐漸消耗殆盡,最終將膨脹為一顆紅巨星,它的光度會達到現在的3000-5000倍,大小是現在的150-300倍,將吞沒地球軌道。最終太陽將外層的物質拋散到宇宙中後,中心會留下一個很小的殘骸,叫白矮星。

4 恆星的機制

恆星是一種依靠氫氦聚變產生的輻射力,抵抗自身引力的收縮達到一種平衡狀態,並在聚變中向外輻射光和熱能的一種天體。

恆星有一種有效的平衡,當引力佔據上風,恆星就會收縮,中心壓力和溫度增強加劇聚變,所產生向外的輻射壓就會和引力達成新的平衡。而當聚變激烈,恆星就會往外擴張,中心壓力和溫度就會降低,進而使聚變降低,這樣降低的聚變又會和引力達成一種新的平衡。

恆星主要依靠氫氦聚變維持抵抗自身的引力,當中心的氦會聚集地越來越多,直到氫氦聚變發生在中心氦球的表層。但越接近表面,溫度和壓力越低,當氦球越來越大,會導致氫氦聚變無法進行,這時恆星就會在引力之下向內塌縮,使中心的溫度和壓力急劇升高,直到可以使中心的氦球發生聚變,即氦碳聚變,此時恆星進入了垂死的階段。在氦聚變發生的同時,聚變產物碳也會向恆星中心沉積。

同樣。當氦聚變結束後,恆星會進入碳聚變,這就形成了鈉、鎂、硅等更重的元素,這個階段會更短。當聚變產生了第一個鐵元素的時候,則意味著恆星的死亡,因為鐵的原子核是最穩定的,恆星的能量不足以使它再產生聚變,這樣恆星就無法通過輻射壓抵抗自身引力的撕扯。於是恆星的“心臟”停止了跳動,塌縮開始了。

其速度非常快,當核外的物質到達鐵核表面並與鐵核碰撞時,其速度接近於光速,這種巨大的能量,是鐵核產生聚變,在這一瞬間,產生了金、銀、鉑、鈾等超重的元素,你手上帶的金戒指,就是在這極短的一瞬間產生的。

而這些碰撞中心鐵核的物質會以幾乎相同速度產生反彈,這時候劇烈的內爆產生了,短時間內亮度大增,甚至比一顆恆星一生中放出的能量還要多。這就是超新星爆發。在其兩端,釋放出伽馬射線爆。

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在恆星核中,碰撞的巨大能量不但形成了超鐵元素,還會把各種元素的原子核外的電子都壓到原子核內部,形成中子。當碰撞的能量都被釋放後,恆星核就成了由中子組成的天體,叫中子星。中子星非常小,直徑不會超過30公里,但密度極高,可以達到每立方厘米1億噸,就是原子核的密度了。

如果這顆恆星的質量足夠大,坍縮後的恆星核質量也足夠大,大約是太陽質量的3倍多時,那恆星核還會繼續收縮,直到表面引力強大到連光線都被吸引住了,這個天體就瞬間看不到了,“消失”了,就是黑洞了。

黑洞中的物質是如何組成的?以什麼狀態存在的?這些還都是未知數。因為所有的物理定律在黑洞內完全失效。

5. 黑洞

黑洞,宇宙中的一種天體。說的是“時空曲率大到光都無法從其事件視界逃脫的天體”,也就是說黑洞本身是無法觀察的,因為他不發光,但黑洞巨大的引力會使經過其邊界的光線發生扭曲。

什麼叫時空扭曲,攤開一張布,當在布的中間放置一個球體,布面就會彎曲,時空扭曲是引力的本質。如果這塊布上的天體密度無限大比如黑洞,會導致時空無限扭曲,在其中心形成的就是一個奇點。其中空間和時間趨向於零,也就是不存在,類似於宇宙大爆炸之時的那個奇點。

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6.宇宙大爆炸

說的是大約150億年前,在一個極端的瞬間內,突然產生了一個奇點,這個奇點迅速膨脹,形成現在的宇宙,具體的過程可以百度。

這裡特別要說的是兩點:第一 宇宙產生於一次大爆炸,不僅包括宇宙中的物質,還包括時間和空間。這就是說,在大爆炸之前,時間和空間都不存在。第二 在大爆炸之前,什麼都不存在,也就意味著宇宙大爆炸是一次無中生有。

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