第十章：宇宙结构和演化

科学格言

就我个人而言，我宁愿用简单的模型直接去阐明某些物理效应，而不愿意作一般形式的物理工作。

---------黄昆第八章：宇宙的结构和演化

本讲简要介绍观察到的宇宙结构，科学家正在感兴趣的一些问题。2015年，Sicence杂志庆祝创刊125年，发布125个科学前沿问题，宇宙的结构名列首位。太阳系、银河系和星系正在膨胀的宇宙宇宙的演化*反物质星体和星系*宇宙中的暗物质和暗物质的寻找*膨胀的不均匀性和宇宙的结构

宇宙最不可理解之处，就在于它是可理解的。

-----爱因斯坦

科学理论只不过是我们用于描述自己所观察结果的数学模型，它只存在于我们的头脑中。－－－－StephenHawking

时间简史宇宙的概况

当前的科学告诉我们，宇宙是有限的，并且在不断地膨胀，宇宙中有正物质，也有反物质；宇宙中有看得见的“亮物质”，也有看不见的暗物质。现在所说的宇宙是我们“观察的宇宙”，我们对宇宙的认识还很肤浅，随着观测手段和研究的进步，对宇宙会了解的更多。射电天文学的诞生（观察宇宙的主要手段）

布拉格支持的另一项工作也在以后显示了重大的意义。二次大战结束后，许多科学家从战场又回到实验室从事研究工作，一个叫赖尔(M.Ryle)的年轻人来到凯文迪什实验室，参加有关天体物理的研究工作。赖尔从牛津大学毕业以后在军队从事雷达工作，用雷达检测敌人的飞机和指挥自己的飞机。在战争期间，赖尔经常被一些莫名其妙的雷达波所困扰，最终他发现这些雷达波来自天体。到了剑桥以后，赖尔重新回想战争期间的发现，想到一个点子。当时的天文望远镜都是光学望远镜，观察天体的范围有限，如果可以用类似雷达的设备接受天体发射的电波，然后处理这些发自天体的讯号，便可以得该知天体的情况。在这种情况下，则无论天体离地球有多远，都可以知道它们的状况。这种设备也非常便宜，将打仗时所用的雷达加以改造即可。赖尔的想法得到了布拉格的支持，经过赖尔和同事的努力，射电天文学在凯文迪什实验室诞生，从此，人类对天体认识的范围大大扩展。作者在凯文迪什实验室的博物馆里面看到了赖尔他们所用的第一台射电望远镜，看起来就像我们现在家庭用的卫星接收天线，十分简陋。可就是这些看起来简陋，在经济困难时期发展起来的研究项目最终给人类带来了极大的好处。

1974年赖尔因为发现脉冲星，开创射电天文学而获得诺贝尔物理学奖。获得奖励倒是其次，关键是他们的研究工作使人类认识自然的进程迈出了一大步。

-----摘自张酣，“科学家的社会责任感”射电望远镜世界最大射电望远镜经过5年的艰苦努力而建设，位于贵州省平塘县，世界最大射电望远镜500米口径又称为球面射电望远镜（FAST），主体圈梁合龙已于2013年完成，这标志着世界最大的天文望远镜全面进入设备安装阶段。一。太阳系、银河系和星系地球：半径6378.14Km，质量5.974x1024Kg

平均密度5.54g/cm3

地球到太阳的平均距离称为天文单位au（astronomyunit）,（区别arbitraryunit：au）

1au=1.496x108Km

太阳：半径96100Km，地球的109倍质量1.9889x1030Kg，地球的33.3万倍平均密度1.42g/cm3，地球的0.256倍天文学中常用光年（L.y.）作为距离单位，

1L.y.=0.9641x1016m

天文学中还用秒差距（pc）作为距离单位，1pc=3.262L.y.

从一个远方星球看太阳和地球，太阳和地球之间的最大张角为1''时，这个星体距地球为1pc。

1’’的角对应的三角形两条边长的差异可以忽略，这个三角形可以想象为锐角等腰三角形。秒差距为周年视差的倒数。周年视差。秒差距是周年视差的倒数。银河系银河系形状像一个铁饼，包含约1千亿个恒星，太阳是其中之一。离太阳最近的恒星是毗邻星，到太阳的距离是4.34L.y.太阳系距银河系中心约26,000L.y.，太阳绕银河系中心的运动速度为220Km/s，绕银河系一周2.23x108a.银河系外还有许多类似银河系的星系（大约几十亿个），它们之间距离很远，宇宙由这些星系构成。二。正在膨胀的宇宙我们所说的宇宙是指“观察宇宙”，是我们现有观察手段得到的信息。1。宇宙由许多星系组成，星系主要指恒星，恒星都有形成、产生、发展演化、衰亡的过程。2。从大范围看，宇宙中的星系分布是均匀的。宇宙大爆炸（BigBang）理论是1946年伽莫夫提出的。3。各星系间在不断相互远离，后推的速度随距离增加而增加。1929年哈勃观察到远方星系发出的光谱线波长变长，即所谓的“红移”。远方星系上原子的特征波长都比地球上同样原子的波长长。由于波长长的是红光，所以波长变长称为“红移”，相反，波长变短称为“兰移”或者“紫移”如果一条光谱线在地面上发射其波长为λ0

，而同样的光谱线从远方星系发射出来为λ，定义：Z>0时称为红移，Z<0时称为紫移。红移是由于被观察的星系远离我们而去的多普勒效应引起的。星等

度量天体相对亮度的数值。公元前2世纪，希腊天文学家依巴谷把人眼可见的恒星的亮度分为6个等级。最亮的为1等，肉眼刚能看到的星为6等。亮度越大，星等越小。

直接由光度测量得到的星等称为视星等，它反映天体的亮度。视星等用符号m表示

。由于辐射探测器的灵敏度与波长有关，而天体辐射的能量在不同波长也不相同，因此，用不同的探测器测得的星等也不相同。视星等就有许多种，取决于所用的探测器。用人眼测定的视星等称为目视星等，用mV表示。用照相底片测得的星等称为照相星等，记为mP。用正色底片加黄色滤光片测得的星等称仿视星等，记为mPV。它同目视星等很接近，实际上已取代了目视星等。用光电倍增管测定的称为光电星等

。最常用的光电星等系统是UBV系统，U为紫外星等，B为蓝星等，V为黄星等(接近目视星等)。此外，还有表征天体在整个电磁波段辐射总量的星等，称为热星等，记为mbol。热星等的测量比较困难。

天体的亮度与天体的发光强度成正比，与天体到观测者（地球）的距离的平方成反比。因此，单由视星等不能比较天体的发光强度。如果天体的距离都相同，视星等才可作为天体发光强度的量度。为了比较天体的发光强度，天文上采用绝对星等。绝对星等（记为M）定义为天体假想地被置于10秒差距处所得到的视星等。绝对星等M和视星等m之间有如下关系：

M＝m＋5＋5lgπ或M＝m＋5－5lgr，式中π为天体的视差，以角秒为单位；r为天体的距离，以秒差距为单位。同视星等一样，绝对星等也可分为绝对目视星等、绝对照相星等、绝对仿视星等、绝对光电星等、绝对热星等。造父变星（天体距离尺度的参考）

变星是发出的光有周期性变化的恒星。发光规律非常确定的变星称为造父变星。如果一个星系有造父变星，可以通过观察它的星等推测这个星系距地球的距离。观测发现，造父变星的光变周期与其真实亮度（绝对光度）有关，因此从地球上观测到的亮度（视星等）同它们与地球的距离相关。如果得知一颗造父变星与地球间的确切距离，利用其它造父变星的视星等与绝对光度数据，就可以推算出这些变星的距离。造父变星

一类高光度周期性脉动变星，典型星为仙王座δ，中文名造父一。光变周期约50天，但也有超过的，如银河系经典造父变星武仙座BP的周期为83.1天；小麦哲伦云中的经典造父变星周期长达二百天。造父变星可见光波段的光变幅度为0.1到2个星等，光谱由极大时的F型变到极小时的G-K型。光度和光变周期之间存在着密切关系，称为周光关系。这种关系可用来建立天体的距离尺度，利用造父变星的周光关系来测定天体距离是天文学中非常重要的课题，只要在星团或星系中发现有造父变星，就可以确定星团或星系的距离，因此，造父变星有“量天尺”之称。哈勃

(Hubble,EdwinPowell)(1889-1953)，美国天文学家。他对星系、宇宙膨胀和宇宙的大小的研究贡献很大。他发现漩涡状的星云其实就是象我们银河系一样的星系。他又确认出仙女座大星系

(AndromedaGalaxy)中的造父变星，证明河外星系的存在，并把它们分类，同时又发现星系光谱中的红移现象，证明星系间正互相远离，这发现给予宇宙膨胀理论极大的支持。宇宙正在膨胀按照广义相对论，物质使其周围的空间发生弯曲，空间不再是平直的。弯曲空间可以是封闭的，也可以是有限大小。宇宙像球胆一样，有限，无边，正在膨胀。按照吹气球的原理，如果气球膨胀一倍，原来相距1Km则变成相距2Km；相距2Km则变为相距4Km。所以看起来离地球越远膨胀越快。三。宇宙的演化1。大爆炸和演化宇宙早期体积很小，其中集中了宇宙的全部物质，质量密度很大，能量密度也很大，宇宙的温度极高，演化非常快，宇宙的体积不断迅速膨胀，这样，宇宙的能量迅速下降，同时温度也迅速下降。关于宇宙的形成和演化，尽管有不少理论，但是大爆炸宇宙模型能说明最多的观测事实，一般称为标准宇宙模型。大爆炸宇宙模型的基本观点是：迄今观测到的宇宙，起始于最初的一次大爆炸事件。那时，宇宙的温度极高，密度极大，体积极小。大爆炸使物质四散飞出，宇宙空间不断膨胀，温度也相应下降，后来相继出现在宇宙中的所有的星系，恒星，行星乃至生命等，总体上都是在这种不断膨胀冷却的过程中逐渐形成的。这被称为标准宇宙模型。宇宙大爆炸的基本轮廓被这样描述出来：大爆炸后最初几分钟内合成了氦和氘这类轻元素。大约几十万年后出了炽热火球，具有星系级能量的射电源的辐射呈现出由强到弱的演化趋势，许多遥远的星系都在以很高的速度彼此退行。不过，大爆炸宇宙论关于宇宙起始于一个微点的假设，至今仍未得到证实。大爆炸宇宙学的创始人为伽莫夫（1946年发表）。研究发现：黑洞吞噬恒星形成伽马射线爆黑洞逐渐蚕食恒星将成为宇宙中明亮闪光的基本解释

据《每日科学》网站报道，9月19日，天文学家宣称，黑洞作为天文学最大的神秘天体目前有了新的研究发现，黑洞逐渐蚕食恒星将成为宇宙中明亮闪光的基本解释（2009）。科学家发现太阳朝超新星残骸靠近的过程中，在太阳边缘的局部形成气泡。天文学家近日宣布，他们发现一个令人忧虑的事实——太阳和整个太阳系，甚至包括地球系统，正在朝向超新星残骸、一个巨大火热的星际气体云靠近。真正“集会”的时刻将发生在未来100年内。（2010，5）新研究称大爆炸前还存在一个孪生宇宙2008年04月11日

对于有关“大爆炸”以及“大爆炸”之前宇宙状况的一些问题，爱因斯坦的广义相对论也无法解释，科学家也仅仅是提出形形色色的假说。日前，研究人员报告称，在当前宇宙之前还存在另一个宇宙，它们具有诸多相似之处，堪称一对双胞胎！*霍金撰文探讨如何建造时间机器实现“时间旅行”

虫洞是根据爱因斯坦相对论预测的连接时空中两个不同地点的假想“隧道”或捷径，上面的三维图轮廓集中呈现了这一点：负能量将时间和空间拖入一条隧道入口，并在另一个宇宙出现。大家好，我是斯蒂芬·霍金，是物理学家、宇宙学家及梦想家，尽管身体不能活动，只能通过电脑与大家交流，但从内心中我是自由的，自由地探索宇宙，思考以下重大问题：时间旅行是否可行？能否打开一个回到过去的通道，或找到通向未来的捷径？我们最终能否利用自然规律成为掌控时间的主人？

在科学界，时间旅行一度被认为是歪理邪说。过去因为担心有人会把怪人的标签贴在自己身上，我对这个问题常常避而不谈。但现在，我不再那么谨小慎微了。事实上，我更像是建造了巨石阵的那些人。我对时间痴迷已久，如果有一台时间机器，我会去拜访风华正茂的玛丽莲·梦露，或是造访将望远镜转向宇宙的伽利略。或许，我还会走到宇宙的尽头，破解整个宇宙湮灭之谜。（2010）2。现今的宇宙年龄：(1.2~1.8)x1010a半径：(1.16~1.74)x1026m体积:(6.49~21.89)x1078m3明亮物质数量：NBO~(1.18~4.00)x1078*明亮物质是可以发出和吸收所有电磁波的物质。宇宙中有几十亿个星系，最近的一个星系离我们几十万光年，能看见最亮的（仙女座）离我们250万光年。每个星系有几十亿到几万亿个恒星。四。反物质星体和星系反物质物体、星系和星体

自然界每一种粒子都存在反粒子，反粒子的质量、寿命和自旋与粒子相同，所带的电荷等内部相加性物理量（有经典对应的物理量都是相加性物理量）和粒子的数值相同但是符号相反。例如：电子～正电子；质子～反质子光子是自身的反物质

由于反物质与物质相遇会湮没，这就是地球上不能产生和存储大量反物质的物理原因。如果不和物质接触，反物质可以稳定存在。如果有一个星体上都是反物质，没有物质与它接触，这样反物质构成的星体就可以稳定存在。这样就提出几个问题：1。宇宙中是否存在反物质构成的星体？2。宇宙中是否存在由大量反物质星体组成的星系？3。如果宇宙中存在反物质星体和星系，如何知道它们的存在？如何判定它们是否存在？

有报导说美国军方现正在秘密研制以反物质作为弹药的

“

质子炸弹

”

，并已在这方面投入了大量资金。美国空军实验室介绍称，这种反物质炸弹可能会成为一种令人难以置信的强大武器。

反物质武器就是利用反物质的物理特性制成的武器，这种武器的研制到目前为止还在秘密进行之中。对反物质的研究很早就已开始，只是因为研究手段的制约一直进展缓慢。直到

1986年，研究人员在磁陷阱中首次捕获到反质子，而后又进一步发现很多粒子都存在有反粒子。由此人们推测，在这个世界上还存在有一种完全由反粒子构成的物质，也就是反物质。根据研究发现，极少量的物质同它的反物质相互作用，能够释放出极大的能量。几微克的反物质放出的能量，就可作为热核反应的扳机，或者可以激励出很强的

X射线或

γ射线激光，因此反物质在军事领域有着极为广阔的应用前景，成为目前各国研究的重点。

反物质的原子由带负电的原子核与带正电的电子组成

与传统核武器不同的是，反物质炸弹爆炸后不会形成任何辐射性残留物，可以称为常规武器

反物质星系的探寻

从天文观察看到反物质星系的讯号和普通星系的讯号是相同的，可能通过观察原始的宇宙射线而得到信息，反物质星系发射的反物质可能和宇宙射线混在一起射向地球。宇宙射线到大气层就和大气中的原子核碰撞产许多高能π介子，π介子再和其它原子核碰撞，又产生其它粒子，所以无法判断原始宇宙射线粒子是什么，因此，要到太空去观察。目前有α谱仪在太空工作（观察是否有一定份额的反质子存在）。美科学家观察到迄今最重反物质反氦-4

据美国物理学家组织网2011年3月23日（北京时间）报道，美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机国际合作组的科学家，首次观察到了新型反物质反氦-4，这是迄今科学家观察到的最重反物质。

欧洲科学家制备出反氢，由一个反质子和一个正电子组成。首次成功地使其存在了“较长时间”——约0．17秒。

1000秒并不太长，但对于欧洲核子研究中心（CERN）反氢激光物理装置（ALPHA）项目的物理学家来说，却是4个数量级的重大突破。据美国物理学家组织网2011年5月4日报道，CERN此前的记录是捕获了38个反氢原子并保持了172毫秒，而本次实验捕获了309个反氢原子并保持了1000秒，为进一步证明反物质属性铺平了道路。

五。宇宙中的暗物质和暗物质探寻

暗物质是不能提供任何电磁讯号的物质，所以叫“暗物质”，但是有引力作用，可以通过引力认识暗物质。暗物质在宇宙中分布很广，可能多于“亮物质”。有人认为：在宇宙中，暗能量占74%，暗物质占22%。我们可以观察到的一切物质：一切气体、固体、液体、恒星、星系、行星，我们所熟悉的一切加在一起只构成宇宙的4%。（？）ν=*暗物质的估算宇宙中有许多螺旋星系，银河系就是一个，这是在万有引力作用下旋转的星系，观察离中心r处的运动速度ν

，按照万有引力等于向心力，有：min（r）是星系中被所观察的这一部分更靠里面全部星体的质量，显然，min（r）是r的函数，随r增大而增大。对于中心区域以外，mout（r）就是不随r变化的常量，这样，外部星体的速度应该随r增大而减小。实际观察显示，在几万光年或者的范围，V不随r变化，约为一个常值：这表明虽然星系的质量集中在星云核周围，实际在相当大的范围内，星云中m（r）随半径r增加而增加，如果m（r）随r成正比例增加，则min（r）＝mr，按引力等于向心力有：按此估计在相当大的范围内，星系的质量大体为这相当于N个太阳的质量：如果用v~200Km/s,r=40,000L.y.,mΘ＝1.9889x1030

代入，可以得到典型的星系在半径为40,000L.y.的球体范围内，它的质量大约相当于N＝1.1406x1011个太阳的质量。比实际观测的值要大的多。这表明还有许多没有被观察到的物质在起引力作用。2001年，剑桥大学的尼尔·特伦特姆带领的一个研究小组预言了完整暗星系的存在。此次新发现的暗星系是通过无线电天文望远镜观测到的。据来自英国威尔士加的夫大学的罗伯特·明钦介绍，类似的目标在宇宙中可能非常普遍，但也可能非常稀少：“如果它们的确是模拟星系形成的实验中所预言的、但目前还没有被观测到的暗物质团，那么在宇宙中，此类暗物质星系有可能比普通星系还要多。”在距地球50亿光年的室女座星系群当中，明钦和他的同事们试图寻找由氢气发出的电磁波。由此，他们发现了一个质量为太阳质量1亿倍的天体。该天体被命名为室女座I21。这一天体的旋转速度很快。如果是由一般物质构成，这样的速度应该会把很多物质“甩”出去。它之所以能够保持如此大的质量而进行如此高速的旋转，其中必定存在某种物质担当起了“引力胶水”的作用。明钦指出：“根据其旋转的速度，我们意识到室女座I21粒子的质量是所观测到的氢原子质量的100倍。如果它是一个普通的星系，就应该十分明亮，只需通过一个稍微好点的业余望远镜就能观测到。”螺旋星系M83，它的大小和形状都很类似于我们的银河系，银河系是一个相当大的螺旋状星系。引力透镜现象对于每个星体都可以算出这样一个半径：如果星体的全部质量都集中在这个半径以内，则该星体上的任何物质无论以多大速度向外发射，都不能射出星体范围，这个半径称为施瓦氏半径(Schwarzchild)。例如，太阳的施瓦氏半径是2.953Km（太阳的实际半径为70万Km）。如果一个星体的半径小于施瓦氏半径，则这个星体就是黑洞。黑洞是暗物质。黑洞虽然不能被直接观察，但是可以间接观察，远方星体的光从黑洞旁边经过时会受到黑洞的吸引，行进的方向会有微小变化，这样，在望远镜里面将会看到同一个星体的两个像，称为“引力透镜现象”。引力透镜原理暗星体引力透镜观察的幼年星系天文学家们认为宇宙中百分之九十的物质是不可见的，它们“失踪”了。然而，暗物质在宇宙结构的演化起着关键作用，所以证实这些“暗物质”的存在，是我们理解宇宙的至关重要的一步。现在关于暗物质的本原有许多理论，每一种对其在宇宙中分布的预言不尽相同，(右图是依照最近一个较为流行的理论预言所绘制的跨越1亿光年的暗物质结构图)。如果知道暗物质的实际分布情况，就能够帮我们进一步理解暗物质、理解宇宙。但是暗物质是“透明”的，不发射光线；那么我们怎们才能看到它们，了解它们的分布情况呢？

贝尔实验室的科学家们创造了一种方法，用来给暗物质结构画幅图。贝尔实验室的这套摄像和软件技术，叫做“'引力透镜'质量分布绘图术”（gravitationallensmasstomography），给我们开启了一扇观察宇宙的新窗口。它被用来研究宇宙中众多区域的暗物质聚集程度——从星系团周围的大质量的星系晕，到距地球30到60亿光年的大尺度暗物质结构演化。暗物质粒子暗物质有重子暗物质和非重子暗物质，非重子暗物质有两类，一类称为冷暗物质，就是其组成粒子的运动速度远低于真空光速的暗物质。另一类称为热暗物质，其组成粒子的运动速度接近光速的暗物质。暗物质的三个特点：*电中性，这样保证不吸收和发射电磁讯号*有静止质量，在自由状态以小于真空光速运动，聚集成团*稳定的，平均寿命长于宇宙年龄，这样才能长期存在暗物质不参与电磁作用，但是参与弱相互作用。中微子是中性的，不参与电磁和强相互作用，参与弱相互作用，可能有（已证明有！）不为零的静止质量，可能是热暗物质的组成粒子。已经发现有11种粒子是稳定的，3种中微子和3种反中微子是可能的热暗物质外，还没有发现冷暗物质粒子。暗物质的寻找1972年云南落雪山宇宙射线站观察到一个奇特事例，在宇宙射线中发现一个能量大于300GeV（顶夸克为173GeV，希格斯波色子为125-126GeV）的粒子。不能用标准模型来解释这个粒子的行为。1975－1979，印度和日本科学家在印度的Kolar金矿研究超高能中微子引起的反应，观察到7个奇特事例。目前，科学家正在超高能宇宙射线中寻找新的暗物质粒子。

科学家以前认为，暗物质是构成宇宙大部分空间的一种神秘物质，但两位加拿大天文学家认为，现在有很好的理由相信暗物质从来没有被直接侦捕获过，因为它根本就不存在。过去，科学家利用暗物质来解释星系是怎样“粘”在一起的，而星系中的星体、气体和尘埃等可见物质远远不能将它们粘在一起。因此，科学家根据推理，得出宇宙中一定存在一些看不见的物质的引力，成为所有星系的中心。去年8月，图森市亚利桑那大学的一位天文学家和他的同事们在报告中表示，距离地球30亿光年的两个星系团——即我们所知的子弹星簇——相撞，导致暗物质从正常物质里分离，形成暗物质云。很多科学家表示，这项观测是暗物质存在的证据，它沉重打击了试图通过引力的修正理论达到证明暗物质不存在的解释。现在，加拿大沃特卢大学的天文学家约翰.莫菲特和他的研究生约尔.布罗斯顿表示，这些宣布太过草率。他们二人在最新一期《皇家天文学会月报》详细介绍了一项研究成果，他们表示，他们的引力修正理论(MOG)能够解释子弹星簇的观测结果。这一理论不同于其他引力修正理论，但是却与引力随距离的改变而改变的预言相似。莫菲特解释说：“如果你从星系中心走出，会发现修正引力比牛顿学说中的引力更强大。更强大的引力酷似暗物质所为。关于暗物质，你采用爱因斯坦和牛顿学说中的引力，加入了更多的暗物质。如果宇宙中确实存在更多物质，你将获得更多引力。然而对于我，我认为暗物质根本不存在。只是引力发生了变化。”

加拿大天文学家称暗物质并不存在（2007）希格斯玻色子和暗物质粒子可能是同一物质新理论若能得到证实，将在很大程度上改变现有的宇宙理论

日本大阪大学教授细谷裕日前（2010，1）提出一个新理论，认为标准模型预言的希格斯玻色子和充满宇宙空间的暗物质粒子可能是同一种物质。新理论若能得到证实，将在很大程度上改变现有的宇宙理论。

希格斯玻色子是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子，它被认为是物质的质量之源，也是标准模型预言的62种基本粒子中唯一仍未找到的粒子（2012-13已经找到）。按照现有理论，希格斯玻色子极不稳定，很容易衰变成其他粒子，而充斥宇宙空间的暗物质粒子则十分稳定。北京时间2010年2月15日消息，据英国《每日邮报》报道，神秘的暗物质一直令科学家感到迷惑不解，这种看不见的物质占宇宙质量的大约四分之三。不过，美国佛罗里达大学科学家近日宣称，他们已首次探测到暗物质粒子。

据研究人员介绍，在美国明尼苏达州北部的索丹铁矿中，位于地面之下2000英尺(约合610米)的高灵敏度探测仪近日捕捉到两个“暗物质粒子”的踪迹。科学家们认为，这次探测到的事物应该有四分之三的可能是暗物质粒子，而不是背景噪音。

暗物质是物理学中最神秘的事物之一，它的发现将可能成为近100年来最重大的科学突破。20世纪30年代，天文学家首次意识到，恒星、气体和尘埃只占宇宙质量的一部分。因此，他们得出结论认为，星系本来应该在宇宙中四处游荡并最终土崩瓦解的，除非它们受到某种巨大的、不可见的物质的重力吸引而被固定在一个位置上。科学家从真空中创造出光子

2015年04月15日15:33

据美国物理学家组织网报道，瑞典查尔姆斯理工大学的科学家在真空中捕获到了不断出现和消失的光子，成功将虚拟光子转变成真实光子，制成了可测量的光，首次观测到40多年前就曾被预言的动力学卡西米尔效应，即平行金属板在辐射场真空态中存在吸引力的现象。实验基于一个违反常规的量子力学重要原则：真空并不“真空”，实际上，真空中充满了各种不断波动的粒子。它们出现后却又在瞬间消失，因此常被称为虚拟粒子。物理学家摩尔早在上世纪70年代就曾预言，虚拟光子转变成真实光子的现象将会发生。他认为，如果虚拟光子能从镜子上反弹起来，而镜子是以近乎光速的速度移动，上述情况就会发生。

这意味着真空中的确有物质存在，可能是暗物质。

由于镜子不可能移动得如此之快，科研人员采用另一种方法实现了相同效应：通过改变到达超导电路的电距离，起到微波的镜面作用，而非改变到达镜子的物理距离。这个“镜子”名为超导量子干涉器(SQUID)，其由量子电子元件构成，对磁场极其敏感。通过每秒数十亿次改变磁场的方向，可使“镜子”的振动速度达到光速的25%。镜子也会将自身部分动能转移给虚拟光子，这将促使它们突然出现。实验结果显示，光子会在真空中成对出现，科学家能够以微波辐射的形式对其进行测量，构建出确实具有相同特性的射线，如同量子理论所述。科研人员表示，光子出现的原因在于其自身缺少质量，因此，激发出它们的虚拟状态需要较少的能量。原则上来说，还可以在真空中创造出其他粒子，例如电子或质子等，但这需要更多的能量。六。膨胀的不均匀性和宇宙的结构哈勃关系告诉我们，远方星系的红移正比于距离，就是说，离地球越远的星系离开地球的速度越快。近年来发现，非常远的星系的“后退速度”小于哈勃关系的线性增长规律，显示宇宙的不均匀性（可以通过超新星判顿一个星系到地球的距离）。原因何在？宇宙是不是均匀的？按照吹气球的原理，如果气球膨胀一倍，原来相距1Km则变成相距2Km；相距2Km则变为相距4Km。所以看起来离地球越远膨胀越快。红巨星的存在是短暂的，恒星中心的能量最终会被全部耗尽，因为当核内的铁原子及其它重元素的比例达到一定程度时，核聚变将会停止。从此，恒星中心开始冷却，它没有足够的热量平衡中心引力，结构上的失衡就使整个星体向中心坍缩，造成外部冷却而红色的层面变热，如果恒星足够大，这些层面就会发生剧烈的爆炸，产生超新星。超新星大质量恒星爆炸时光度可突增到太阳光度的上百亿倍，相当于整个银河系的总光度。恒星爆发的结果：（1）恒星解体为一团向四周膨胀扩散的气体和尘埃的混合物，最后弥散为星际物质，结束恒星的演化史。（2）外层解体为向外膨胀的星云，中心遗留下部分物质坍缩为一颗高密度天体（白矮星或者中子星），从而进入恒星演化的晚期和终了阶段。中国古代天文学家观测到的1054年爆发的超新星的遗迹。在一个星系中,超新星是罕见的天象,但在星系世界内,每年却都能观测到几十颗。有些超新星是造父变星，可以通过它来判顿这个星系到地球的距离。宇宙可能的物质组成1。暗能量ΩA，暗能量均匀分布在宇宙空间2。暗物质Ωdm=Ωcdm+Ωhdm3。重子物质（明亮物质）ΩB，电子、质子、原子等，可以吸收和发射电磁讯号，可以被直接观测

物质的平均密度按质量折合成质子质量/立方米（mp/m3）宇宙中各种物质的平均密度（1）。暗能量ΩA～0.73，ρA～4.56mp/m3

（2）。冷暗物质ΩA～0.23，

ρcdm～1.44mp/m3

（3）。重子物质ΩA～0.04，

ρB～0.25mp/m3

银河系中太阳附近，暗物质密度约为ρdm～319737mp/m3,是宇宙暗物质平均密度的222,700倍。地面上水的密度ρw～5.9786x1026mp/m3,是太阳系附近暗物质密度的1.87x1021倍。一些最新观察结果美国宇航局公布的“钱德拉”X射线太空望远镜拍摄的黑洞攻击星系实景照片。黑洞喷射强大的射流，冲击附近的一个较小星系。

2008年

从美国宇航局公布的照片上可以看到，高能粒子的反向喷射物正向半人马座A遥不可及的区域延伸，隐藏在双子星系中的无数小黑洞同样清晰可见。图片中的左上角是一条延伸距离达1.3万光年的X射线喷射物，以及一条向反方向延伸的短“反向喷射”(counterje)。天文学家认为，这种喷射物起到了重要运输工具的作用，把来自黑洞的能量传递到规模更大的星系，同时还影响那里恒星形成的速度。这幅照片是“钱德拉”X射线太空望远镜在对半人马座A进行深空观测时拍摄到的，这种观测方式相当于连续不断地观测七天时间。半人马座A是距离地球最近的一个星系，包含有一个不断向外喷射高能粒子的黑洞。“雨燕”空间望远镜拍摄到的GRB080319B伽玛射线爆,2008年这次被美国媒体称为史上最巨大的宇宙大爆炸，是由美国航空局的卫星19日侦测到的。NASA对外宣称，在过去从未有如此清楚，单凭肉眼便可清楚看到的宇宙大爆炸，而且是在遥远的宇宙边缘。据估计，这个爆炸大约有75亿光年的距离，也就是说，这项爆炸的时间点是在75亿年前，发生爆炸时地球尚不存在。NASA指出这次的爆炸，是“宇宙大爆炸”以来，最巨大的一次爆炸。（由此推测，我们可以看到过去！）据英国《每日电讯报》2009，4，30报道，美国一名摄影师利用地面天文望远镜成功拍摄到了一个蔚为壮观的宇宙泡，它是由一颗濒临死亡的恒星喷出的气体形成的，它的跨度是60光年，已经有70,000岁。科学家发现距地球0.25亿光年的一个星系非常类似鲸，并将其命名为鲸星系,2009美望远镜拍下宇宙之手伸向光芒奇景,2009,4

美国一位理论物理学家称，根据他建立的一个新时空数学模型，我们的宇宙并不是无中生有诞生的，它还有“前世”。根据现行理论，科学家一般认为宇宙是137亿年前诞生的，这个被称为宇宙大爆炸的事件是一切的起点，包括时间和空间。在大爆炸开始的瞬间，宇宙中的一切都被压缩在一个“奇点”——体积为零、密度无限大的点中。在大爆炸之前，没有物质、空间和时间。但美国宾夕法尼亚州立大学的理论物理学家马丁·波乔瓦尔德在新一期《自然物理学》杂志上发表论文称，大爆炸并不是时间的起点，我们的宇宙是前一个宇宙收缩之后因“反弹”而再度膨胀产生的。波乔瓦尔德的模型是以“圈量子引力论”为基础建立的，“圈量子引力论”是一种试图将爱因斯坦相对论与量子力学相结合的理论。波乔瓦尔德说，模型显示，在大爆炸开始的一瞬，我们的宇宙体积非常小但并没有小到零，能量极大却不是无穷大，并不是“奇点”。模型还显示，大爆炸很可能是前一个宇宙的灭亡所触发的。与我们正在加速膨胀的宇宙不同，大爆炸开始之前，宇宙的“前世”处于收缩状态。计算表明它并不能收缩成一个没有体积的“