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第一批恒星的年龄

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2022-09-07 16:47:23

今天宇宙学家使用的宇宙标准模型在第一代恒星和星系的年龄方面有一点问题。这是早期宇宙的时间轴根据标准模型。

早期的宇宙是由纯辐射构成的。当宇宙形成10秒左右时,这种辐射开始凝聚成重子,其中大部分是质子和中子,还有电子来平衡质子的电荷。这在几分钟内基本完成。在此期间发生核聚变,产生氘和氦的电离核,以及少量的锂。

直到大约3.7亿年前,宇宙都是由质子、氘核和α粒子以及电子组成的等离子体。未结合的中子将衰变为质子和电子。在此期间,宇宙是不透明的等离子体,就像今天的太阳和恒星一样。

在大约37万年前,等离子体凝结成中性原子,宇宙变得透明。这第一束光在今天被视为宇宙微波背景,红移约为1100。

宇宙密度的原始波动是气体云形成的种子,气体云在它们的引力下坍塌,形成恒星和星系。大约在1亿年前,第一批恒星可能已经开始形成。这些是第一代恒星(令人困惑的被称为星族III),只由原始元素氢和氦组成。从未观测到过这样的恒星。大约2亿年前,第2代恒星开始形成,其中包含更重的元素,包括碳和氧,这是第一代恒星变成超新星时形成的。迄今为止(除CMB本身外)最大的被证实的红移约为12。詹姆斯·韦伯太空望远镜(简称JWST)很可能已经观测到了红移较大的老恒星。但是它还没有开始使用它的光谱仪来确认红移值。在1.7亿年左右的年龄,红移20的恒星很可能在JWST的范围内。

标准模型的问题是,虽然1亿年似乎是一段很长的时间,但它正在将事物拉伸到第一批恒星形成如此之快的极限。这是因为等离子体坍缩后形成的气体云非常热。这就阻止了它们凝结成恒星。当它们冷却时,它们会开始凝结,但这会产生更多的热量,所以它们需要再次冷却——以此类推。

虽然这个问题并不被认为是标准模型的终结,但如果有更多的时间来形成第一批恒星,它肯定会有所帮助。部分问题在于,直接测量宇宙中遥远物体的年龄是不可能的。它们只能从它们的红移来推断这是我们所使用的宇宙模型。那么,通过改变模型能否为第一批恒星的形成争取更多的时间呢?是的,的确可以。

宇宙可以非常有效地建模,实际上比标准模型简单得多,即一个以光速膨胀的3个球体。三维球体是四维球体的三维表面,在宇宙中是时空的三维表面。爱因斯坦本人在提出他的两个相对论时,认为宇宙最有可能是一个三个球体。但爱因斯坦是物理学家,不是天文学家或宇宙学家(后者当时还不存在)。在天文学上,他是由天文学家领导的,他们告诉他宇宙不可能是三个球体。所以他把它扔了。但我认为爱因斯坦一直都是对的,天文学家错了。

图中显示了宇宙的比例因子(等于1/(红移+ 1))相对于标准模型和三球体模型的距离和年龄。红色的线表示三球模型的比例因子与年龄的关系,而蓝色的线表示三球模型的比例因子与共移动距离(今天宇宙中的距离)的关系。绿线和黄线表示的是标准模型。乍一看,这些模型并没有那么大的不同,但事实上,宇宙早期的年龄是非常不同的。在这个模型中,当充满等离子体的宇宙凝聚成中性物质时,红移1100点发生在1270万年前,而标准模型中是37万年前。大约在第一批恒星形成的时候,红移20个,发生在大约6.65亿年,而标准模型中是1亿年。这为第一批恒星的形成提供了更多的时间。

第一批恒星的年龄

在三球体模型中,早期宇宙的节奏比标准模型中要慢得多,而且像第一批恒星的形成这样的事情也不必以极快的速度发生。

棕钻是由Perlmutter等人根据比例因子测量的标准蜡烛距离,这被认为是标准模型加速膨胀的证据。但这种测量结果与以恒定速度(光速)膨胀的三球模型吻合得同样好,甚至更好。

我们宇宙的许多其他特征,即使不是更好,也同样可以用三球模型来解释,而且要简单得多。
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