宇宙也在變熱嗎？與宇宙的演化有關(guān)

近期，天體物理領(lǐng)域期刊刊登了一項(xiàng)研究成果，通過對(duì)比不同時(shí)期宇宙中星系團(tuán)周圍的氣體溫度，發(fā)現(xiàn)在過去100億年間，星系團(tuán)周圍氣體的溫度增加了將近10倍，達(dá)到現(xiàn)在約200萬攝氏度。

那么，宇宙也在變熱嗎？實(shí)際上，宇宙浩瀚無垠，絕大多數(shù)空間空無一物，溫度也極其寒冷。然而，在一些宇宙天體如太陽(yáng)附近，氣體溫度卻可高達(dá)百萬攝氏度，上文提到的溫度變化研究也是指位于星系團(tuán)周圍的類似高溫區(qū)域。宇宙升溫與地球上的溫室效應(yīng)沒有關(guān)系，而是與宇宙的演化有關(guān)。人們發(fā)現(xiàn)這個(gè)秘密，經(jīng)歷了不斷探索的過程。

1924年，美國(guó)天文學(xué)家哈勃經(jīng)過觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，原來被普遍認(rèn)為處于穩(wěn)態(tài)的宇宙竟然在不斷膨脹，大爆炸宇宙論隨之誕生。根據(jù)大爆炸理論，宇宙在138億年前經(jīng)歷了一次大爆炸后誕生，隨后持續(xù)膨脹。在宇宙誕生早期，光子和電子之間頻繁碰撞，無法逃脫出去。到宇宙年齡大約38萬年時(shí)，電子和離子結(jié)合產(chǎn)生了中性原子，光子得以“脫耦”傳到遠(yuǎn)處。隨著宇宙的膨脹，這些早期的光子波長(zhǎng)不斷被拉長(zhǎng)，現(xiàn)在已變到微波波段，形成“微波背景輻射”。

1964年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的兩名工程師在測(cè)試天線時(shí)，發(fā)現(xiàn)了來自宇宙的微波背景輻射。這次發(fā)現(xiàn)是對(duì)大爆炸宇宙學(xué)的一個(gè)直接驗(yàn)證，兩人因此獲得1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此后，憑借各個(gè)波段的觀測(cè)設(shè)備，人們對(duì)整個(gè)宇宙的誕生及演化有了更清晰的認(rèn)識(shí)。

在“脫耦”之后，隨著宇宙的膨脹和冷卻，光子平均溫度一直在降低，目前充斥在宇宙空間中的微波背景輻射溫度大約只有-270攝氏度，這是宇宙中大多數(shù)空曠區(qū)域的溫度。然而，宇宙一開始就存在密度不均勻性，密度高的地方慢慢吸引其他地方的暗物質(zhì)和正常物質(zhì)，誕生了第一代星系和恒星。這個(gè)過程發(fā)生在宇宙各地，最終形成一種由不同星系構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，被稱為“宇宙網(wǎng)”，連接不同節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)被稱作“大尺度纖維”，而網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圍成的鮮有星系存在的區(qū)域叫做“空洞”。

目前，許多天文巡天項(xiàng)目和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果都已經(jīng)看到這種結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)不斷有氣體被吸引聚積到這些纖維狀的結(jié)構(gòu)上去。在這個(gè)過程中，由于勢(shì)能轉(zhuǎn)化，氣體的速度變快，彼此相互碰撞，最后轉(zhuǎn)化成氣體的熱能。隨著時(shí)間的推移，氣體的溫度會(huì)不斷增加，這就是宇宙大尺度結(jié)構(gòu)形成理論中的一個(gè)推斷。

最近發(fā)表的這個(gè)結(jié)果，是結(jié)合普朗克衛(wèi)星和斯隆數(shù)字巡天項(xiàng)目的觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過研究“蘇尼亞耶夫—澤爾多維奇效應(yīng)”，即低溫微波背景輻射光子和星系周圍的高溫?zé)犭娮又g發(fā)生的能量交換過程，成功推算出宇宙不同時(shí)期氣體中電子的溫度。正如科學(xué)家通過眾多的觀測(cè)事實(shí)來驗(yàn)證廣義相對(duì)論理論的正確性一樣，這個(gè)觀測(cè)結(jié)果對(duì)于宇宙大尺度結(jié)構(gòu)理論是一個(gè)很好的驗(yàn)證，說明人們目前對(duì)宇宙圖景的理解應(yīng)該是可靠的。