宇宙中第一代恒星的诞生
宇宙大爆炸过后50万年 , 炽热的辐射渐渐平息下来 , 温度慢慢下降 , 这时宇宙中物质开始占主导地位 , 中性原子不能被电离 , 引力开始发挥作用 。
从这时开始 , 到第一颗恒星的形成 , 宇宙花费了大约5000万到1亿年的时间 。
不同的区域开始冷热不均
中性原子最初形成时 , 标志着光子停止从自由电子中散射出来 , 因为自由电子只有在原子以等离子体的形式电离时才会出现;由于没有任何东西可以散射 , 这时 , 空间中的光辐射以光速运动 。
这些光辐射来自各个方向 , 几乎是完全均匀的 , 基本都是2970.8K , 但是有些地方略高一点 , 达到约2971.0K , 而有些地方略低一点 , 约为2970.6K 。 这些细微的差别 , 是导致恒星的产生和演化的重要因素 。
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宇宙中的第一颗恒星可能要在大爆炸后5000万到1亿年之后才会形成 。
实际上 , 这些光一开始都是均匀的(都是完全相同的温度) , 但是受到所处位置的影响 , 它们才略有不同 。
有些区域的密度与整个宇宙的平均密度完全相同 , 但有的区域的密度略高或略低于平均密度 。 密度稍微低的区域 , 因为其中的物质较少 , 引力也较小 。 当一个光子离开该区域时 , 它要对抗的引力势较小 , 失去的能量也较少 , 这个区域的光子会变得比平均温度高;而密度稍微高的区域 , 其中的物质也较多 , 因此有更多的引力来对抗 , 随着光子爬升 , 它损失的能量超过平均水平 , 因此整体上变得更冷 , 或者说能量更少 。
接下来 , 这些密度稍微高的区域会在引力的作用下 , 吸引越来越多的物质 , 直到形成恒星 。
引力开始聚集
在宇宙中 , 所有物体都在相互吸引 , 哪个物体的质量最大 , 它就会优先吸引周围的所有其他物体 。 在不断扩展的宇宙中 , 密度较高的区域会吸引附近密度较低的区域中的任何物质 。
从这个意义上说 , 引力是一种失控的力量 , 吸引的物质越多 , 引力就越强 , 就越能成功地将更多的物质带入其中 。
随着宇宙的冷却 , 引力开始将物质聚集成团 , 并最终聚集在一起 , 随着越来越多的物质被吸引在一起 , 其生长速度越来越快 。
但是 , 值得注意的是 , 这时宇宙中并非只有物质和引力 , 还有辐射(以光子的形式存在) 。 原子物质和暗物质在引力下吸引大质量粒子的同时 , 也将辐射吸引到了密度较高的区域 。
然而 , 辐射与物质不同 , 它具有压力 。 正因为有了辐射压力 , 这些气体云(聚集到一起的团块)才不会发生引力坍塌 。
这种压力也会控制物质的生长速度 , 即使在一个以物质为主导的宇宙中 , 只要辐射仍然存在 , 物质的密度就只能缓慢增加——几百万年间 , 一直如此 。
引力坍塌与核聚变
宇宙诞生300万年后 , 温度从3000K降到800K , 辐射最终冷却到人眼看不见的程度 。 随着辐射压力的下降 , 物质团块增长速度逐渐增加 , 密度变得越来越大 。
所有的物质团块都遵循这么一个简单规律:当宇宙温度下降到原来的一半时 , 它就会快速增长 , 并且密度变大;当宇宙温度下降达到某个临界阈值(100K左右)时 , 它的增长速度会迅猛增加 , 一旦成长到其密度比平均密度大68%时 , 就开始发生坍塌 。
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宇宙在均匀膨胀的同时 , 局部总有微小的密度起伏 , 这使得宇宙能够随着时间的推移形成恒星、星系和星系团 。 在均匀背景之上添加局部密度的不均匀 , 是理解当今宇宙是什么样子的起点 。
大爆炸后5000万年时 , 较为致密的团块都已过渡到迅猛增长的阶段 , 开始以极快的速度收缩 。 最终 , 到达了可以坍塌的地步 , 形成了炽热而庞大的物体 , 并点燃其核心的核聚变 。
这些庞大的物体几乎完全由氢和氦组成 。 除了少量的锂(大约占宇宙中所有元素十亿分之一) , 根本没有更重的元素 。 当引力坍塌发生时 , 能量被困在这些物体中 , 从而导致这些物体变热 。 当温度超过约400万K的临界阈值时 , 核聚变开始了 。
第一批恒星点亮宇宙
这种核聚变发生在所有密度较高的区域中 , 并且都是首次 。
当核聚变开始时 , 继续增加这些物体质量的引力 , 突然被内部辐射压力抵消了 。 在亚原子水平上 , 质子在连锁反应中发生聚变 , 形成氘 , 然后是氚或氦-3 , 然后是氦-4 , 每一过程都释放能量 。
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