宇宙正加速膨胀,为什么星云在不会散开,而是聚在一起形成恒星?

宇宙空间对于我们宏观意义上来理解的话,那么它是空无一物的存在,假如一罐氢气泄漏入宇宙,想?#19968;?#26469;可就难了,因为在几乎零的大气压下,气体扩散会无限扩散,一直达当前宇宙的临界密度。那么问题来了,都说恒星是宇宙大爆炸的原初气体或者超新星爆发后的星云坍缩而成,这些物质为什么不会无限扩散,反而能形成无数恒星呢?下面我们来简单?#25945;?#19979;这个看起来非常有趣的话题。

一、宇宙的临界密度

宇宙暴涨论是现代宇宙诞生的主流科学理论,在这个过程中所表现出来的就是引力和斥力之间的争夺,万有引力定律告诉我们,物质会产生引力组织天体进一步远离,当然如果可能的话它还会因此靠近,最终的导向如何取决于宇宙?#24418;?#36136;的密度的大小!

  • 观测到的宇宙是?#25945;?#30340;

根据欧空局普朗克卫星对如下几个方面的观测:

  • 宇宙微波背景辐射

  • 重子声速振荡

  • 引力透镜

三者的观测相结合,发现当前宇宙?#25945;?#20026;0.001±0.006,即从当前观测看来,宇宙在6‰的精度上仍然是非常?#25945;?#30340;

上图公式是以此为依据从爱因斯坦广义相对论中推导出的宇宙临界密度计算公式:

  • H是哈勃?#38382;?#21704;勃常数是指哈勃?#38382;?#29616;在的数值,它会随时间改变)

  • G是万有引力常数(这个数值不变)

假设以WMAP在2006年测得的70千米/秒/百万秒差距计算,宇宙的临界密度为3.6×10^-30g/cm^3,这个比例算起来大概每立方米只有一个质子的质量!

这个临界密度表示什么意义?简单一点说,如果宇宙平局密度小于这个密度,那么膨胀不可避免,宇宙将是开放式的,如果宇宙平均密度大于这个密度,那么未来可能会趋向于收缩!如果是等于,那么宇宙将保持在恐怖的临界状态,而理论上任何细微的扰动都可能打破这个平衡,继而走向膨胀或者坍缩。

二、星云坍缩与恒星诞生的秘密

上文我们了解了宇宙的临界密度,接着我们来看看诞生出恒星与行星的星云,它们来自哪里,又为什么会坍缩?为什么又有那么多星云没有坍缩?

1、星云的来源

星云的来源有几种,宇宙大爆炸时期的原初星云,从暴涨时代的高温下降后,从夸克胶子浆中形成的中子与质子结合,形成氢、氦以及少量锂原子核,而在温度进一步降低后电子和原子核结合成原子(包括氢、氦以及锂元素),形成弥漫的星云。

另一种则是从这些星云中形成的恒星发展而来,大质量恒星晚期会形成超行星状星云以及超新星等,会将恒星整个生涯中积累的大量元素(质量越高,产生元素越多越重)通过超新星爆发扩散成?#26223;?#20113;,但由于恒星存在辐射层结构,大部分的氢元素没有燃烧,因此?#31181;?#26032;回归宇宙,成为下一代恒星的来源。

2、星云为什么会坍缩

其实星云的密度还不如月球表面气体原子密度,月球表面每立方厘米的空间中有超过10^6个原子,在地球附近的太阳?#30340;?#23431;宙空间有数十个原子/立方厘米,而在本星际星云中则只有0.3个原子/立方厘米!但这依然比宇宙的临界密度高数十万倍,因此理论上这些原子之间仍然存在引力坍缩的可能!

问题来了:为什么这些星云还没有坍缩?

引起星云坍缩的是金斯不稳定性,这有两种因素,一种是星云内部满足金斯不稳定条件,另一种星云受到附近恒星级能量爆发的影响满足金斯不稳定性条件,比如超新星或者中子星合并等天文事件。

金斯不稳定性

当?#26223;?#20113;的?#20173;?#21160;扩散动力不足以抵抗引力时星云会发生坍缩,有如下两个条件:

  • 受到超新星扰动密度区域长度大于金斯长度时,会发生引力坍缩

  • ?#26223;?#20113;密度大于金斯密度或质量大于金斯质量时,?#19981;?#21457;生引力坍缩

当然这些条件并不是所有星云都能满足,或者说一处星云内部已经有多处满足这个要求,比如我们能观测到着名星云-猎户座的M42则早已是银河?#30340;?#39318;屈一指的恒星工厂。

3、恒星的诞生

我们看不?#25945;?#38451;系诞生的过程,但在距离地球1400光年以外的猎户座星云却是太阳系诞生过程最好写照,在星云内部,由于金斯不稳定性,出现了多处坍缩,在每一个坍缩区?#21152;?#21487;能形成一个恒星系!

上图国家地理纪?#35745;?#26053;行到宇宙边缘》猎户座星云大工厂的部分情节GIF截图,制作非常精美,类似的情节在《哈勃太?#32960;?#36828;镜》也有描述,后者更为详尽,因为是3D版本,对M42的3D结构做了非常详尽的表现。

  • 博克球状体

?#26223;?#20113;的某处一旦开始坍缩,密集区域就会形成博克球状体,这是在恒星形成早期出现的高密度区域,一般典型的大小为一光年左右,质量约为太阳的10-50倍,这也是联星和聚星?#20302;?#24418;成的区域

博克球状体:它很像某种昆虫的茧,是星云早期坍缩开始形成恒星的重要标志,荷?#23478;?#32654;国天?#38590;?#23478;巴特·博克在1940年?#29366;?#21457;现,但直到1990年才通过分析近红外波段才证实恒星在博克球状体内诞生。

上图是着名的船底座星云的悬浮博克球状体,在船底座星云内部,博克球状体处处可见,在船底座星云中的恒星?#20102;?#30340;辐射电离下,加上多个波段曝光后合成的博克球状体图像有一种不真实的梦幻感!

  • 星云中的湍流

但在这个过程中,?#19981;?#22240;为星云开始坍缩后的湍流增加导致某些星云团块碎裂,如果这些碎裂的团块质量仍然超过金斯质量,那么这些分裂的团块内部仍然可能诞生恒星。在这里有一个有趣的现象,因为星云坍缩后会导致湍流结构,因此某些团块可能会流体动力效应而被驱逐出星云,形成奇特的现象:逃离星云的原恒星。

  • 原恒星的诞生

当博克球状体继续坍缩,密度的增加会将引力势能转换为热能,内核温度上升。当然原恒星逐渐达到流体静力平衡时(天体热压力与引力平衡的状态),原恒星就在引力?#34892;?#24418;成了,一般情况下,原恒星周围都存在?#26223;?#30424;,因为还会继续收缩!

2014年9月,偶走南?#25945;?#25991;台阿塔卡马毫米/亚毫米波阵列对距离地球460光年的金牛座年轻恒星星HL Tauri进行了?#20013;?#25104;像观测,从上图处理后的原行星?#35752;?#21487;以清晰看到同心结构已经形成,每一个同心圆?#21152;?#34920;示?#34892;?#26143;正在成型。

阿塔卡马毫米/亚毫米波阵列在240 GHz?#26223;?#36830;续谱观测到的20个原行星盘。

三、宇宙未来的趋势,膨胀还是坍缩,还是维持现状?

星云的坍缩,恒星的形成不过是宇宙各个角落正在诞生的无数故事中的一个,那么整体宇宙未来的命运如?#25991;兀?#25105;们是否能根据临界密度来做一个判?#19979;穡?/p>

根据可观测宇宙的大小以及观测到的物质计算得到的密度只有 2×10^-31g/cm^3,似乎差了一个数量级,但这仅仅包含可观测的显物质,根据宇宙物质模型,还有26.8%的暗物质

加上暗物?#26102;?#20363;,再修正哈勃常数的差异,当前宇宙平均密度与临界密度几乎相差无几,那么宇宙的未来到底如何?吃瓜群众很是期待,在线急?#21462;?/p>

  • 空间曲率K与宇宙学常数Λ

“宇宙学常数Λ,曾经是爱因斯坦引入的概念,在与哈勃的交流后抛弃了宇宙常数,但勒梅特又“非正?#20581;?#30340;将它请了回来,而根据现代宇宙学的发展,似乎又要给它一个正式的名分”

宇宙的形态是由这两个?#38382;?#25152;决定的,K=0时是欧几里得空间(平直空间),Λ=0表示静态,Λ>0表示斥力,Λ<0表示引力!那么整体上所有的组合就如下图:

上图是美国天?#38590;?#21152;爱德华·哈里森在1967年根据这个关系整理的表格,非常直观,描述各种条件下宇宙的几个未来。总结一下,有三种:

在几个可能中,临界状态是最不可能的,因为任何的扰动都会导致宇宙失去这个临界平衡的状态!而在1998年,美国加州大学伯克利分校索尔·波尔马特和澳大利亚国立大学布莱恩·施密特领导的两个小组?#30452;?#36890;过对Ia型超新星进行测距时,不约而同的发现了宇宙正在加速膨胀。这个观测证实了一个由来已久的猜想,宇宙正走向?#29123;牛?/p>

加速膨胀的结果就是我们的可观测宇宙会有一个视界(这和黑洞的视界有所不同),因为遥远的宇宙边缘星系正以超过光的速度远离,如果仅凭现当前的电磁波以及引力波观测手段,将永远都不可能了解视界以外的宇宙。

宇宙是恶意的吗?不,它将引导我们探索未知

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