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最初三分鐘

宇宙的最初源頭是壹個奇點,即所謂的“宇宙蛋”,它凝聚了所有的時空質能,孕育著未來物質世界的壹切,包括天體和生命。大約150億年以前,宇宙蛋在壹場無與倫比的大爆炸中猝然爆發。大爆炸震撼出時空,物質世界破殼面出,宇宙史的紀元從此開始。

剛剛誕生的宇宙,空間從無到有並急劇猛增,僅僅10-32秒後,就暴脹到大約1光年的直徑。在1 秒鐘時,由於大爆炸產生的極強高能輻身均勻地充滿整個空間,宇宙成為100億k高溫的熔爐,所有物質被熬成壹鍋基本粒子湯。

緊接著,壹場肆虐的原始宇宙風暴開始了,基本粒了之間發生猛烈撞擊,中了熔入質子形成了氦核。這個過程延續了大約三分鐘,直至所有的中子消耗殆盡為止。有約22%質量的物質聚合成氦核,余下的物質幾乎為沒有聚合的質子,即氫核,僅有十萬分之幾屬於同位素氦3和氘,百億分之幾歸之於鋰。原始星雲形成。

星系形成

構建原始宇宙的原生物質(主要是約78%的氫和22%的氦)的產生過程,在宇宙史的最初三分鐘便告完成;在此後宇宙由於膨脹面冷卻,如此大規模的核合成過程再也不可能發生了,而小規模的核合成也只有等到恒星產生以後。初生宇宙的空間充斥著極強壯的高能輻射,熾熱驚人。原生物質氫核和氦核均勻分布在整個太空,它們之間的引力微弱,遠不足以克服巨大的擴散壓力和輻射壓,因此列法凝聚成團。看來要打破這種物質均勻分布的狀態,還有竺宇宙冷卻到足夠的程度。

光陰壹分分,壹年年地流逝著,30萬年過去,宇宙的溫度溫度隱降到了4000K,然而其均勻狀態依然如故;1000萬年過去,宇宙中高能輻射冷卻變成微波背景輻射,氫核和擬核形成了各自的原子,原子間的引力也終於戰勝擴散壓力和輻射壓,在它的作用下漸漸形成了壹個個物質密度較大的地區,並繼續向中心收縮;原始星雲就這樣形成了。在宇宙誕生1000萬年以後,由氫擬兩種元素構成的巨大原始星雲彌漫著太空,雖然非常稀薄,卻表明宇宙物質不再處於均勻分布的狀態,這預示了宇宙星光燦爛的未來。

恒星形成

原始星雲在引力的作用下繼續向中心聚集,並因星雲間的潮汐作用開始旋轉,漸漸形成壹雙凸透鏡的形狀。星雲收縮使引力不斷增強,從而促使旋轉不斷加速,而旋轉加速又導致星雲緣不穩定,從而裂成兩個旋臂。旋臂上發生局部的凝結,每個凝塊具有適當體積,可以在我們所見的恒星狹小限度內形成恒星。

以上過程不斷進行著,整個星雲最終演化成星系。宇宙中最初形成星系的時間大約是大爆炸後十億年。通過哈勃太空望遠鏡,可以發現在我們星系以外的遙遠空間裏正在形成的其它星系,那正是幾十億年前形成這些星系的情形。目前用天文望遠鏡觀測的星系總數須以10億來計算,我們所在的銀河系只是其中的普通壹員而已。這些星系都是龐大的恒星集團,且距離我們極其遙遠,因此稱之為“島宇宙”。十幾個或幾十個星系由引力維系在壹起,組成星系團;隨著宇宙的膨脹,星系團間正彼此遠離。

恒星的生命歷程

恒星是宇宙物質凝聚到壹定程度的產物,它起源於旋渦星雲臂上的壹塊區域。在這塊區域物質較密集的部分,由於自身的引力較強,就會使物質聚集得更快,溫度也上升更快,旋轉得更快。這壹過程逐漸加劇,當某壹區域的中心溫度上升到約1000萬k時,就會引發熱瓜反應,向外發放輻射,恒星的生命歷程便開始了;而旋轉速度達到壹定值時,恒星就會分裂成互相繞行的雙星或多星。 雙星(或多星)是恒星演化的正常規程,而伴有行星的單星(例如太陽)則是恒星演化中極其 罕見的事件,大約在十萬個恒星中才有壹個,它的起源過程至今仍然只是壹個猜想:在恒星演化的某壹早期階段,兩個氣體星運行到彼此鄰近時,便產生了潮汐波。及至兩星接近到某壹臨界距離時,這潮汐波即射出長臂狀的物質,然後再裂成具有適當大小與特性的物體,形成像地球這樣的行星。起源於原始星雲中的恒星為第壹代恒星,它們是由原生物質組成的氣體星球。宇宙史紀元50億年時,第壹代恒星產生了,它們照亮了幽暗的太空,從此壹個新的宇宙時代來臨了。

恒星的生命歷程

恒星形成後開始進入生命周期中的氫燃燒階段,氫的原子核聚變成氦,並向外發放光和熱。當恒星中的氫消耗掉10%時就發生收縮,恒星中心部位的溫度升高到1 億k以上。同時,由於恒星內部的活動,恒星外層被中心區域推開,膨脹的恒星變成壹顆紅巨星。於是,在星球密度很大溫度極高的中心部分開始發生氦的燃燒,氦核聚變成鈹,碳和氧。這壹階段壹直延續到恒星中心部分的氦消耗殆盡,碳和氧所占的比例大致相等時才結束。 氦的燃燒階段結束時,星球中心區域收縮,溫度重新上升。在壹些質量足夠大(質量至少是太陽的4倍)的恒星裏,中心的溫度可以達到10億k,碳和氧的燃燒得以開始,結果形成了鈉,鎂,矽和硫等元素。當恒星中心部分的碳和氧消耗殆盡並富含矽時,便開始了矽的燃燒階段,矽轉化成硫,氬和其它壹些更重的元素。如果恒星通過收縮,能使內部溫度升到30億k左右,那麽恒星便開始了它生命周期中的平衡階段,形成鐵及附近的壹些元素。鐵在所有元素中,其原子核最為穩定,因此壹顆恒星能燃燒到生命的終結,將形成壹個鐵球,它的末日也便來臨了。

垂死的恒星與自身的引力作著最後抗爭,但最終還是跌進了引力深淵之中。外圍各層數以萬億噸計的物質以每秒幾成公裏的速度朝核區坍縮,與核區發生了極為強烈的碰撞,這就是“超新星爆發”。爆發的巨大能量使恒星外圍物質得以加熱,鐵吸收中子及能量後,在恒星熔爐的是最後階段煉出了金,鉛,鈾等更重的元素。以上過程表明目前人類所利用的核 能(確切說應該是核裂變能)歸根到底是久遠的超新星爆發能,正如煤,石油所含的化學能是古老的太陽能壹般。超新星爆發產生的巨大激波,將恒星外圍的物質拋入廣闊無垠的太空;這些物質由恒星各個

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