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疯狂的宇宙（罗伯特·基尔什纳）
疯狂的宇宙（罗伯特·基尔什纳）的思维导图，Ⅱ型超新星是大质量恒星死亡前的辉煌一瞬间，是宇宙中惊天动地的大事件，是恒星临终前给予世界的再创造，扮演了创造宇宙万物的上帝之手角色。
编辑于2023-10-07 20:52:38- 宇宙
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疯狂的宇宙（罗伯特·基尔什纳）
第一章大图景
19世纪二十年代
高斯提出了弯曲空间的概念
19世纪50年代由伯恩哈德·黎曼进一步发展
研究了三维四维等
1915年
爱因斯坦用这些弯曲空间的概念建立了一个新的引力理论
在爱因斯坦的广义相对论中
物质和能量的存在会扭曲四维时空，并且影响光在宇宙中传播的路径
广义相对论描述了质量和能量弯曲宇宙的方式
以及宇宙中的物质时如何在可以想象的最大尺度上使它膨胀坍缩的
星系会碰撞
50亿年内，我们居住的银河系会和M31发生碰撞
现在M31再超过200万光年的距离之外
正在朝我们运行
银河系在本星系群（小星系群
本星系群又属于室女座超星系团
包含大小麦哲伦星云，M31和M33，以及其他的星系
距离我们最近的中等大小的星系团在处女星座的方向
因此被称为处女座星团
哈勃深场
我们的观测极限
342张图像叠加而成，有史以来最深的图像
哈哈勃深场中的所有东西都是星系
最远的那些光线要运行120亿年才能到达我们这里
我们认为这个宇宙的年龄大约为140亿年
所以我们能看到的最远的物体在140亿年前发出他的光芒
最远的那些，从宇宙中第一代天体发出的光芒会被宇宙的膨胀更多的拉扯
直到超出哈勃望远镜的观测范围，进入到红外波段
所以为了看到更起源的开始，看到造就我们世界和身体中的碳氧钙铁的开始
就要建造工作更宽的能看到红外波段的望远镜
目前已经出现了超深2003和极深场2012
大部分宇宙不可见
我们知道他在那里
因为我们可以可看到他的效应
但是不能直接测量
我们看到的宇宙被我们看不到的宇宙所控制
暗物质在宇宙的失控膨胀中显示出他自己的神秘
第二章宇宙变迁的代言人
在微观尺度下
组成宇宙中的恒星和气体的原子随着时间的推移而变得更加复杂
因为恒星通过将较轻的元素聚变成较重的元素来维持它们的灿烂星光
聚变发光
恒星是聚变发光
行星是反射恒星的光
当恒星作为超新星而爆炸的时候
它的残骸会将核聚变的新鲜产物排出到恒星际的气体中
超新星会把核聚变产生的元素排出
光线
牛顿用棱镜从白光中分解出彩虹
1814年
夫琅和费
用分光镜发现了阳光的光谱并不是一个从蓝色到红色的连续的彩虹
在光谱中有一些狭窄的缝隙是彩虹中遗失的颜色
没有光的地方包含着揭示宇宙化学组成的关键
恒星光谱中的暗线称为图像中的深沟
而明亮的线则是画出的光谱上尖锐的峰值
如果拿元素钙来说
加热，他会在特定的波长下发光
如果看到了这些发射线
就知道观测到了钙原子
恒星大气中的钙原子吸收光线的波段恰恰就是地基实验室中钙原子发光的波段
光谱学使得我们可以跨越光年的距离来测量遥远天体的化学成分
对恒星进行光谱分析
1899年天体物理学还指的是光谱分析学在天文学中的应用
现在指的就是天文学了
亚原子世界
在靠近一个带正电的原子核的地方
电子的能量被限制于特定的离散值
电子在相当于楼层的定态之间进行量子跃迁
原子的光谱就是由这些定态之间的能量间隔决定的
一个氢原子只能吸收或发射能量为两个能级能量差的光子
观测到的恒星光谱就取决于这些微小系统的内秉机制
元素
在典型的恒星大气中
氢和氦是最丰富
然后是少1000倍的碳和氧
比氦重的元素加起来只占恒星总质量的1%
随着时间的推移
宇宙中的重元素会越来越丰富
像太阳那样的第二代和第三代恒星都从祖先那里继承了传家的银子，碳钙铁等
又也许是碳氧铁金？
坍缩
恒星就像气态球
在恒星内部来自热气体的向外的压力平衡了引力向内的拉力
恒星从他的表面发射光线
同时其内部的能量必须保持平衡
如果一颗恒星没能补充他所辐射出去的能量
他就会开始坍缩，然后在短短一亿年间走向终结
引力要平衡发出的光线（辐射出的能量），否则就会坍缩
地球时钟
是从岩石中放射性衰变产物的积累
在这一过程中一种原子核会变成另外一种
缓慢但是稳定
核力比决定山的高度等电力强得多
即使温度或者压强的极端变化也不会影响原子核中质子和中子之间的转变率
当一个核子在放射性衰变中发射亚原子粒子的时候
他就会变成另外一种元素
放射性轴元素成为最稳定的起始元素
地球50亿岁
而生命大概是30亿前开始以单细胞的形式缓慢演化
然后在6亿年前开始迅速成长
太阳的能量来源是恒星炽热而致密的核心中的核聚变反应
这是一个稳定的转化链
许多步核聚变将四个氢原子的原子核转化成一个氦原子核
但是组装好的氦的质量要比原料少
聚变4000kg的氢可以产生3.972kg的氦
消失的0.028千克的质量以c²的比率被转化成了能量
所以核聚变释放的能量很大
由于太阳主要是由氦组成的
所以用于聚变的燃料十分丰富
普通的化学反应只是对原子外面的电子部分进行重排
这些电子被原子核通过电力束缚着
而核反应则是比原子小一万倍的原子核中的质子和中子的重新安排
核力作用于更小的尺度
却更加强大
原子核变化释放的能量一般为化学反应的一百万倍
太阳变成红巨星
氢核聚变的尘埃——氦核
累积起来改变恒星的结构
因为核聚变反应将四个氢核合成为一个氦核
所以在恒星核心中游荡，提供气体压以抵抗引力的粒子变少了
所以恒星需要平衡使其膨胀或收缩的内部作用力
恒星核中的粒子变少
为了平衡就会膨胀
所以太阳接下来会变成
明亮但是较冷的红巨星
直径会比现在大100倍
太阳的哥哥们，那些在银河系的历史上与太阳相似但是形成更早的恒星
有一些已经变成了红巨星
几乎都是120亿岁，球状星团中的恒星就在那个时间形成于我们星系中的弥散气体
光谱为它们形成以来银河系的化学改变提供了证据
银河系中年老恒星的铁元素丰度只有太阳的大约1/1000
从大约120亿年前第一代球状星团恒星的形成
到50亿年前太阳的形成
这个时间段内，银河系从一开始的贫血状态
到现在富含铁元素以及其他重于氦的元素
恒星寿命和能量来源
当太阳膨胀为红巨星的时候
太阳的能源会从氢的燃烧变成氦的燃烧（氦元素本来是氢核聚变产生的废物，却会成为新的燃料
自然界中不存在由5个核子组成的稳定原子核
所以意味着没有简单的方法把氦元素（原子核中有4个核子，两中子两质子）转化为下一个元素
所以恒星要形成氦后面的元素有一定的困难（包括锂铍硼
而红巨星跳过了这个缺口
直接将3个氦核合成为一个碳核（碳核中有12个核子，6中6质
当太阳成为红巨星之后
其中的碳和还可以通过核聚变合成氧
而且仍然有更多的能量从核聚变过程中挤出来
这个过程途经每个元素直到有56个核子的铁
铁是聚合最紧密的原子核
恒星中以轻原子核生成重原子核的聚变反应中提取能量
一直持续到铁元素
所以铁是聚变之路的尽头
但是铁不是自然中最复杂的原子核
铅、金、铀等都是更加复杂的元素
为什么
在整个宇宙中都是很稀有的元素
都是由较重的元素在作为宇宙线穿越星际空间时分裂而成的
这些稀有的轻元素就是在恒星将氦元素聚变成碳元素的过程中跳过的元素
轻元素？
这里怀疑是打错字了
因为铅等应该是重元素
没错，是轻元素
但是不是最复杂的原子核
它们的原子核比铁核含有更多的质子和中子
地球上的动力反应堆从裂变中释放核能——通过将轴原子核分裂为较小的原子核
在这种情况下，较小的原子核加起来的质量要少于起始的轴核的质量
所以我们可以从将轻原子核聚变直到铁的过程中得到能量
并且也可以从将重原子裂变直到铁的过程中得到能量
经过红巨星之后
太阳就会吹开它的外层大气，而它的核心仍盘踞于原处
在无情的重力作用下坍缩成一个致密的，只有地球一般大小的白矮星
在转化的过程中
恒星和它吹出的气体形成了一个美丽的“行星状星云
白矮星
表面很小
也不发出太多光芒
只有在距离非常近的情况下才能看到它们（就像天狼星B一样，是地球上看到的最明亮的恒星的跳蚤一样的白矮星
天狼和天狼星B被它们之间的引力锁定
距离更近的双恒星可以相互作用
当双星中的白矮星接近钱德拉 塞卡极限的时候
钱德拉是梵文中的月亮
可以发生Ⅰa型超新星爆炸
有认为Ⅰa型超新星源于白矮星爆炸，但是只是理论上的
还有一种可能是
Ⅰa型超新星源于两颗恒星都是白矮星的双星系统
以引力波的形式辐射它们的轨道能量并且旋转着靠近彼此，从而产生一场爆炸
反正有大量证据表明白矮星正是Ⅰa型超新星的源头
但是不会发生在太阳身上，因为太阳石一颗单独的恒星
但是大部分恒星都诞生于多星系统
可能会有其他成员分给白矮星
预示着一场灾难
白矮星是由电子之间的量子作用力聚合在一起的
而不是通过气体压力
如果超过一个约为1.4个太阳质量的上限
白矮星的重力就会超过其量子力学支撑力
钱德拉解出了白矮星质量上限
被称为钱德拉塞卡极限
白矮星超过钱德拉塞卡极限就也许会发生Ⅰa超新星爆炸
也就是重力超过量子力学支撑力就会发生超新星爆炸
一颗独立存在的白矮星会从它的表面辐射出一点点光线
但是不会再有核子来补充辐射掉的热能
Ⅰa型超新星
有认为Ⅰa型超新星源于白矮星爆炸，但是只是理论上的
还有一种可能是
Ⅰa型超新星源于两颗恒星都是白矮星的双星系统
以引力波的形式辐射它们的轨道能量并且旋转着靠近彼此，从而产生一场爆炸
反正有大量证据表明白矮星正是Ⅰa型超新星的源头
但是不会发生在太阳身上，因为太阳是一颗单独的恒星
但是大部分恒星都诞生于多星系统
可能会有其他成员分给白矮星
预示着一场灾难
Ⅰa型超新星被发现于所有类型的星系
而且Ⅰa型超新星是如今在椭圆星系中观测到的唯一一种类型
Ⅰa型超新星是热核爆炸
当白矮星内部的碳和氧开始聚变的时候
反应释放的热能会加速更多的聚变反应
这种火焰将恒星的大部分燃烧直到铁元素
释放的能量很大
在接下来几周内一颗很小的恒星会像40亿颗太阳一样明亮
氢是宇宙中最丰富的元素
但是ⅠA超新星的光谱中没有氢元素
所以暗示了超新星源于已经发生了重要改变的恒星
亮度逐渐减弱
这种光变曲线是由周期表上铁附近的放射性元素的衰变而驱动的
这些元素是在爆炸将白矮星烧成灰烬的过程中产生的
也就是爆炸时候产生的放射性元素的衰变显示了亮度的减弱
白矮星的毁灭过程中的核燃烧产生了放射性的镍元素
每6.1天衰减一半（半衰期）变成钴元素
钴元素以77.1的半衰期变成稳定的铁
第三章另一种爆炸机制
爆炸
在大自然中不止一种毁灭恒星的方法
两种恒星爆炸方式会产生数量大致相当的光线
所以在早年超新星的类型曾经被混淆
ⅠA型超新星源于爆炸的白矮星
其他恒星也会通过坍缩而爆炸
比如8个太阳质量或者更重的恒星不会在恒星燃烧的末期变成白矮星
而是另一种
大质量恒星的爆炸来自引力而不是聚变反应
而且更快的消耗燃料
ⅠA型超新星与简并白矮星和钝齿状的核子燃烧火焰相关
而Ⅱ型超新星包含核坍缩，反弹和产生激波
大质量恒星的爆炸
更加短暂但是更加彻底
可以由碳和氧到硅和硫再到铁的一系列核聚变反应中榨取能量
此时恒星的大部分还是未燃烧的氢
但是深深埋葬在恒星的核心
存在着氢元素和更重的原子核
氢燃烧的产物是氦
氦燃烧产生碳和氧
氧燃烧产生硅附近的元素
硅的聚变就很接近聚变反应的尽头：铁
在铁核不断积累的那个点
一颗大质量恒星有巨大的外流
但是铁核无法作为维持平衡的能量来源
也就是无法抵抗重力向内的压力平衡
在低质量恒星里
量子力学的干预使得1.4倍太阳质量的冷碳氧核不会坍缩
但是大质量恒星是通过热气体的压力来平衡引力
当核心收缩的时候，重力转化为热能于是核心的温度不断升高
在早一些的燃烧阶段
当大质量恒星点燃碳的时候
每到一个更高的温度都会点燃一种新的燃料
当核心变成铁到时候这个过程就终止了
因为我们不能从铁产生更重的元素的过程中获得任何能源
不过事实上
中心温度达到30亿开尔文后
铁核就开始重新融化成较轻的核子
但是这个过程不会产生能量
反而打碎铁核的过程反而需要花费能量
最内部的核心开始形成一颗中子星
是中子态的恒星
由质量大的恒星演变而成的致密天体
自转速度很快
周期性的发射出脉冲辐射
这算是突然减速
会发出非常强大的激波
恒星在中微子冲击波的帮助下
在SNⅡ型超新星中将恒星的外层弹射出去
碳氧等重元素是在恒星内部的高压高温条件下产生的，这些重元素被恒星本身的重力禁锢
等第一代恒星耗尽能源，以超新星爆发的方式走向死亡
那重元素就会解放，洒满宇宙
但更重的金属元素还要等到中子星碰撞等剧烈天文事件的发生才会解禁
再后来
这些原子的一部分在引力作用下再次聚集，在新的第二代恒星周围形成不发光的恒星
地球就是这样哦
所以核心失去了压力的支撑
瞬间向内坍缩
当核心达到原子核密度的时候
恒星会从核心中释放出巨大的能量
其中大部分都是以无力的中微子的形式释放
不带电荷，也不会碰到核子后弹开
所以不会对外层的物质产生任何支撑作用
中微子只会大量产生于形成初期的中子星外部
在Ⅱ型超新星中
也就是大质量恒星的爆炸模型中
坍缩产生的大部分能量都是以中微子的形式传播开来的
只有大约1%的能量会变成爆发恒星的动能
也只有十万分之一的能量会进入光线中让我们注意到
中微子没有电荷也几乎没有质量
但是携带能量
并且中微子对促进恒星剩余部分的爆炸起到了很大的作用
也会将它们未燃烧和部分燃烧的厚重外层喷发出去
所以源于大质量恒星的核坍缩超新星仍然会喷射出氢元素
超过50亿年前大爆炸的大质量恒星正是我们现在呼吸的氧气的来源
形成过程中的中子星外部的热气体能够为周期表末端的新元素的合成提供很好的场所
由铁合成金需要消耗能量
但是形成初期的中子星外部的区域是由铁组成的，并且有大量来源于撕裂了整颗恒星的强大激波的能量（也就是有铁，也有来源于激波的能量
超新星可以把铁转化为金，金为铅，铅为铀
比铁重的元素在自然界十分稀有
因为是在非常特殊的环境中生成的
新星
是白矮星表面发生的爆炸
比超新星暗一万倍
并且不会摧毁白矮星
最靠近银河系的星系——大麦哲伦星云LMC中
仍然有很多活跃的恒星形成区域
炽热的年轻恒星通过剥去周围气体的电子使之发光
超新星1987A
1604年以来观测到的最亮的超新星
核坍缩超新星的大部分能量都以几乎无质量也不带电荷的中微子的形式喷薄
而地球对中微子几乎就是透明的
可以自由穿越
中央到底有没有中子星还不确定
尽管中微子信号被预言来自正在形成的中子星
但是目前没有任何清晰的证据表明在超新星遗迹中有中子星
有一种可能是内部的残骸有一些落回到了中子星上，并且把他推到了这些天体的上限
重力取得了决定性的胜利
恒星核心会坍缩称为黑洞
如今的能源就是放射性钛元素的衰变
这使残骸继续放光数十年
也就是超新星1987A发光目前是因为钛元素的衰变
第四章爱因斯坦的常数
恒星是产生微观变化的巨大场所
因为恒星的存在
把质子和中子结合成更加复杂的核子
钙铁氧等的含量不断增加
还有个超新星爆发
也增加了太阳系的化学元素丰度
多普勒效应
移动声源发出的声音的表观音高的改变
在光线方面的多普勒效应
一个原子发射或者吸收的不同波长的光被我们的感官识别为颜色
当它靠近时会向红端稍微移动，远离时则有点移向蓝端
不过光速是声速的100万分之一，所以对于同样的移动速度
光的改变是声音的改变的100万分之一
位于我们肉眼能探测到的颜色改变的阈值之下
天文学家根据恒星光谱的吸收或发射线的波长变化来测量恒星的速度
用望远镜收集光线
用棱镜或者光栅将其发散为光谱
光栅是能产生衍射现象的光学元件
光线透过它或被它反射时就形成光谱
上面刻着很密的平行细纹
然后测量谱线的波长
将测得的波长与标准原子的波长进行比较
比如钙或其他元素
标准原子波长是在实验室中使原子在火焰中静止的情形下测得的
爱因斯坦
在爱因斯坦的弯曲空间中
质量（或者等效于质量的能量）卷曲了时空的纤维
光或者物理物体沿着曲度决定的路径穿越弯曲的宇宙
水星的轨道接近椭圆
每88天就沿着同样的路径绕太阳一周
但是轨道不是严格闭合的，所以水星轨道的长轴还会缓慢地旋进，每个世纪快565角秒
所以轨道长轴的方向会在22500年中旋转一个整圆
在牛顿引力论中
这种岁差，也就是空间中轨道的缓慢重定位
是由其他行星的引力效应引起的
最重要的是质量最大的木星
在他的引力理论中，太阳附近空间的曲度恰好对行星的轨道产生了一点比从牛顿引力的平方反比律中所计算出的额外的偏折
完全可行
不需要引入任何其他行星
而依照牛顿引力论
大家都猜测有个传说中的火神星没有被观测到
广义相对论的另一个检验方式就是测量光线在经过太阳附近的弯曲空间时产生的偏折
爱丁顿检验
结果符合
日食探险
在特殊情况下
星系团的巨大质量卷曲了空间
所以造出了一个自然的透镜（宇宙放大镜
一个致密的星系团有时会显示出围绕星系团中心的细弧
不是来自星系团中星系的光线
而是由星系团中的质量造成的扭曲图像
这个其实算是一个线索
星系的光芒是由恒星的炽热表面发出的
但是并不是所有的质量都很炽热
也不是所有的质量都在恒星之中
星系团中的大部分质量都不在星系中
而是处于我们看不到的冷暗物质中
暗物质甚至可能不是由质子，中子和电子这些我们已知的物质组成的
理论物理学更喜欢简洁优雅
奥卡姆剃刀
如无必要，勿增实体
第五章宇宙膨胀
膨胀
1912年
斯里弗成功获得了M31的光谱
也就是仙女座大星云的光谱
这些漩涡星云光谱的一部分与恒星光谱相似
有着与太阳光谱上一样的标志性吸收线
所以斯里弗可以从星云谱线的改变中测出它们的速度
除了M31和伴星系M32
几乎所有的漩涡星云都在远离我们
甚至比银河系恒星的远离我们的速度还快
因为哈勃定律
星系距离我们比银河系恒星远得多
所以也远离的更快
宇宙膨胀的一个证据就是星系红移
星系红移通过光谱中发射线或者吸收线的波长的改变来测量
宇宙膨胀会将整个光谱向红端拉长
几乎所有的星系都是红移的
都在远离我们，而且距离和速度成正比
观察两倍远的星系时可以发现在以两倍速的速度远离
有个公式速度=某个因数×距离
哈勃定律
因数也就是哈勃常数
就是在哈勃的速度与距离关系图表上的斜率
哈勃常数是在天文学家的单位下测量的
也就是千米每秒每兆秒差距
这里的一个兆秒差距大约是300万光年
目前的哈勃常量一般用的是70±7千米每秒每兆秒差距
哈勃常数单位非常混杂
而天文学的其他单位
红移可以被表示为以千米每秒为单位的速度
距离单位是秒差距（1秒差距=3.262光年=3.086×10的16次方
或者兆秒差距（百万秒差距
变星
在麦哲伦星云中
有很多明亮的变星
以一种周期性的规律方式有韵律的变亮变暗
被称为造父变星
是以几天到几个月的周期进行脉动的黄色巨星
亮度随时间周期性变化
造父变星的光变周期和亮度成正比
因此可用于测量星际和星系际的距离
较亮的变星周期较长
明亮的造父变星在物理上比较大
震动需要更长的时间
暗的造父变星就比较小
震动比较快
如果我们在一个漩涡星云中发现了一颗造父变星并且他和大麦哲伦星云中的一颗有着同样的周期
那么可以推测他也有同样的内秉亮度
通过测量它的视亮度并且应用平方反比定律
就可以得出我们到这个漩涡星云的距离
能告诉我们它们是不是在银河系中
漩涡星云
到底属不属于银河系当年被讨论和争辩
如今已经有了确切结论
由100英寸望远镜结束了争论
发现仙女座大星云以及其他漩涡星云都是星系
都相当于整个银河系
也就是星云们都和银河系是统一等级
不属于银河系
平行于银河系
牧夫巨洞
通过数百个星系的红移样本看到
众多星系形成了一个由巨大空洞和巨大城墙组成的条状结构
特点就是在所有方向都差不多是牧夫空洞那样的大小
在20世纪90年代的最大的红移巡天揭示了
一旦我们达到了那个尺度
事物就变得均衡起来
红移巡天
用高度自动化的系统对数十万个星系的红移进行系统化的测量
宇宙膨胀但我们又没在膨胀
地球的结构是由原子之中电子间的电磁排斥力或者本地引力决定的
并不随着空间的整体膨胀而膨胀
宇宙学常数
爱因斯坦因为当年天文学的知识而选择加入了常量
随着天文学的发展，发现不需要常量
而爱丁顿并没抛弃宇宙学常数
很难说到底存不存在
因为第五章后面我就看不懂了
第六章现在几点？
宇宙从一个炽热而致密的、接近标准的亚原子粒子热汤演变而来
成为现在这样寒冷而团块状的，由空洞、星系团、星系等组成的大系统
其实宇宙膨胀就是为什么宇宙变冷
热胀冷缩
吸收热量而膨胀
所以现在宇宙变冷
我们
我们只是一个小星球上的小动物
我们的行星围绕着一颗位于银河系其中一条悬臂外缘的中等质量、中等年龄的普通恒星运行
但银河系是一个含有1000亿颗恒星的扁平圆盘
而和银河系处在一个等级的星系，还有一千亿多个
所以为什么会没有外星人呢
我们真的是独一无二的吗
如果宇宙真的是从一个点开始的一场爆炸
星系的四散只和它们的速度相关
那当我们向着越来越远的方向望去
星系的密度会十分迅速的下降
但是星系并没有随着距离而变得稀薄
中子是质子的中性伙伴
正是质子和中子构成的原子核的结构
把宇宙学时间的难题联系起来
1931年，中子才被发现
在太阳中心以保持太阳光度的原子核反应链
将氢元素聚变成氦元素
仅仅将不超过1%的质量变成能量释放出来
这是汉斯·贝特发现的
并且获得诺贝尔
恒星中心足够热，让质子猛烈的彼此碰撞，剧烈到可以发生核反应
恒星的大部分质量被留在了核燃烧的边缘
直接把太阳的理论寿命增加1000倍
目前认为是100亿年
天文学家经常遇到马木奎斯特偏差
就是统计学在样本选取上的选择偏见
有可能是有意无意选取自己愿意看到或者只能看到的样本
得出的结果可能有致命的偏差
马木奎斯特指出
不要轻易根据自己的观测妄议宇宙
可能只看到足够明亮的星星
而忽略了大量不够明亮的不发光的物体
当时还不知道有暗物质
在近处，我们可能可以看到明亮的超新星，也能看到不发光的行星
但看向远处，由于平方反比率引起的变暗限制了我们探测目标的能力
就只能看到那些特别明亮的目标
当我们看向更加遥远的目标时，样本的平均内秉亮度增高
所以不能用表面亮度来判断距离
如果用表面亮度
我们很可能低估目标和我们的距离
造父变星
是我们已知的最明亮的恒星之一
典型的亮度是太阳的一万倍
当然亮度越亮，亮度改变的周期就越长
而超新星爆发是太阳亮度的40亿倍
不过造父变星不是测量宇宙的最佳标尺
最佳标尺是ⅠA超新星爆发
源于白矮星的热核爆炸
超新星是一腔孤勇的壮美的单向旅程
而造父变星则是重复循环
超新星
ⅠA超新星爆炸的整个光变曲线的上升下降也许不是总被看到
超新星经常会在光度最高值之后才被发现
这样我们就得模拟之前的光变曲线片段
后来有人（布鲁诺）攻克了这个问题
做出了所有的ⅠA超新星的前提假设
所有的ⅠA超新星都一样
可行
当然只能是在钱德拉塞卡极限下爆炸的超新星
超新星很稀有
因为在一个星系中这类超新星没几个世纪才爆发一次
超新星提供了两种距离测量方法
都与基于造父变星的距离尺度无关
第一个是超新星1987A的圆环
当时的发现：超新星发射的紫外光消散的非常迅速，在发现后的最初三天内以1000的倍率急速下降
但是在接下来90天，，紫外光谱有了变化
有了来自高度离子化的氮原子的窄发射线
这些光线是超新星爆炸激发的气体发出的
谱线窄意味着这些辐射气体的速度区间很小
不过由于超新星本身被一个剧烈的爆炸撕裂
将它的外层以10%的光速发射出去
所以这些小速度的辐射气体不可能是超新星的残余
那是什么
没看懂
第二个是Ⅱ型超新星
Ⅱ型超新星是大质量恒星坍缩的结果
当一个Ⅱ型超新星的外壳被喷射出去的时候
其中仍然大部分是氢元素
哈勃常数
如果哈勃常数真的是80千米每秒每兆秒差距
并且Ω是1
那么减速过程会使得宇宙的年龄非常尴尬的小于恒星的年龄
Ω是把观测密度和临界密度进行比较
从而区分宇宙会永远膨胀和在遥远的某个时刻转为收缩这两种情况
如果Ω很小
那宇宙将会无限膨胀
如果Ω是1
宇宙膨胀将会减缓，但不会变为收缩
如果Ω大于1
在遥远的未来，宇宙就会到达一个最大容量
我们会看到终点
当然这些东西是忽略了宇宙学常数的理论
而且如果这个世界的总能量密度是由一些受引力的物质组成的
同时一些暗能量正在使得宇宙撕裂开
那所有的猜测所有的赌局都是空
第七章新泽西夏日
我们观测到的宇宙是正在膨胀的
宇宙的星系之间的距离正在以哈勃定律增长
大爆炸的余晖（宇宙微波背景CMB
1965年发现
无论射电望远镜的天线指向何方，都可以探测到一种无线电辐射的嘶嘶声
这种辐射的光谱是一个不透明物体在温度2.725开尔文时发射的
这一温度比绝对零度高出2.725摄氏度
？
今天宇宙是透明的
所以光子可以从遥远的星系传播到我们这里而不被吸收
我们看到的来自星系的光是一种复杂的混合物
来自许多不同的恒星和气体云，而且携带着关于光源成分、温度和运动状态的微妙信息
但是大爆炸的余晖就很简单朴素
整条光谱只能用温度描述
没有更多的细节
低能光子浴（大爆炸的余晖）是宇宙较早期的遗迹
当时的宇宙炽热而不透明，所以就像烤箱
加热一台电烤箱，加热元件会发射红外光，较冷的箱壁吸收这些光
然后变热直到箱壁也发出红外光
预热完毕后恒温器就会关闭加热元件
所以来自箱壁的辐射让烤箱充满了红外光
放进去的东西就会吸收在烤箱中四处弹跳的红外光子的能量
所以当时宇宙里所有的物体都是相同的温度
光子在以光速飞来飞去，确保任何稍冷的区域都会变热，热的也会冷却
宇宙从不透明到透明
是由独立电子和独立质子的微观重排引起的
当宇宙炽热的时候，能够结合成日常所见的原子物质的电子和质子移动得太快
所以无法组装成氢原子
四处弹跳的光子携带着很多能量
可以撕裂任何要形成的原子
这个光子很坏，阻止原子的形成
但是后来光子没啦！
但是经过大约30万的膨胀和冷却
大爆炸后物质和光组成的暖霾最终冷却到足以使电子放弃自由状态
在免受破坏性的紫外光子侵扰之后
电子终于可以与质子结合形成了氢原子
自由原子善于散射光
而位于氢原子束缚轨道上的电子
的散射光子的效率则要低得多
当氢原子第一次形成
朦胧的宇宙开始变得透明
简单的计算得出当时的宇宙的温度至少4000开尔文
比现在炽热1000倍
这些光子因为宇宙膨胀也被拉伸
所以本来是可见光
但是被膨胀衰减成了恰好可以被射电望远镜探测到的低能光子
CMB提供了最直接的证据
表明宇宙起源于一场热大爆炸
CMB有一点很奇怪
存在140亿光年的宽度，无论哪里都是2.725开尔文
？
光子只能以光速传播，当在一团迷雾中四处弹跳时传播速度还会更慢
所以我们在天空两端看到的区域不会有光子交换
但是偏偏也是2.725开尔文
目前有个观点是暴胀理论
也就是我们的宇宙曾经小到让光子确立一个单一的温度
然后由于一种与真空有关的能量，宇宙经历了一场惊人的指数膨胀
在这个过程中，宇宙的尺度在非常小的时间内增长了非常大的爆炸倍数
也就是在暴胀之前，可观测宇宙中的物质曾经有过充分的热接触
就像烤箱的内部一样
然后暴胀
所以140亿年后各个区域的温度是一样的
暴胀理论的物理机制来源量子物理
量子领域，一个卓有成效的概念被用于思考空间特性——真空
在亚原子世界，常识几乎就是错误
有个海森堡测不准原理：你无法同时知道粒子的准确位置和运动
暴胀理论的一个古怪的观点就是真空可能有与之相关的能量
在广义相对论中
真空能的作用是产生一个负压力来促使宇宙加速膨胀
如果真空中的能量保持不变或者衰减得足够缓慢，那么膨胀率就会和尺寸成正比
实际上也是这样，是指数增长
物理学家用标量场
将质量赋予构成中子和质子的夸克
我不明白
标量场是仅用其大小就可以完整表征的场
分为实标量场复标量场
实标量场是最简单的场
只有一个实标量
复标量是复数的场
有两个独立场量
最简版暴胀的一个预测是
宇宙将拥有平坦空间的几何结构，也就是Ω=1
即使宇宙在起初有一点曲率，但暴胀使其的急剧膨胀将会增加曲率的半径，迫使其变成平坦空间的集合结构
具体的解释
宇宙暴胀的一个重要作用就是消除非均匀性、各向异性和平滑空间的弯曲程度。这使宇宙趋向于一种非常简单的状态：它完全由暴胀场主导，且暴胀场微小的量子涨落是唯一重要的不均匀性。
而且暴胀还能推算出宇宙各处密度变化的特征
接下来的就又不懂了
好像涉及什么宇宙涨落
理学家利用暴胀理论，计算出暴胀阶段的量子涨落在宇宙各区域所造成的细微温度差异，这已经通过了观测的验证。暴胀还能够降低大质量奇异粒子的数密度，例如粒子物理学标准模型的不少衍生理论所预测存在的磁单极子。如果宇宙只在暴胀期之前具有足够温度形成这些粒子的话，暴胀就会使它们的密度降到很低，以致在今天的可见宇宙范围内并不存在。
这不就说的是CMB宇宙微波背景的那些小粒子吗
这几个东西合起来叫暴胀无毛理论
还有个黑洞无毛理论
“无论什么样的黑洞，其最终性质仅由几个物理量（质量、角动量、电荷）唯一确定”。即当黑洞形成之后，只剩下这三个不能变为电磁辐射的守恒量，其他一切信息（“毛发”）都丧失了，黑洞几乎没有形成它的物质所具有的任何复杂性质，对前身物质的形状或成分都没有记忆。
如果暴胀真的发生
产生了所有年龄段恒星中普遍存在的氦——第二简单的元素
而氧铁之类的复杂元素生于恒星产生能量的过程或者超新星爆发 的时候
而越古老，所拥有的重元素越少，比如太阳就拥有着比古老恒星更多的银
不过，氦
即使最古老的恒星也拥有着和太阳一样多的氦
所以氦很可能就是在暴胀的时候产生的
并且并非随着时间的推移而增加
宇宙最初可能就是一个核熔炉
将最轻的粒子聚变成氦
宇宙就是一台核冷冰箱
温度到了，原子核就会冻结
不断推进，温度不断下降，出现的原子越来越多
在大爆炸后最初几分钟的尽头
当温度降低到足以使最简单的原子核结合起来而不被高能光子分解掉
每个质子会捕捉一个中子形成氘dao
氘是氢的同位素之一
原子核中有一个质子和一个中子
然后氘核形成氦
一个氦拥有两个质子和两个中子
所以通过计算宇宙在冷却到足以使氘结合起来时存在的中子数
可以算出在膨胀的大爆炸中有多少氦形成
算出的答案是占全部普通物质质量的25%
氦到锂在宇宙中并没有这样变化
而是
恒星通过将三个氦核结合起来制造碳跨过了间隔
跨过的是金-铅-铀
我们的
我们的宇宙
我们有充分的理由认为宇宙始于约140亿年的一场炽热、稠密的大爆炸
在经历了一段短暂的指数膨胀后成为一个简单、近乎均匀的地方
一开始有光子这个大坏蛋
物质与光的相互作用遏制了对比度的增大
而后来氢原子构成了普通物质的大部分
宇宙也变得透明
第一代恒星其中的核反应产生能量并开始制造元素周期表中的元素
星系开始在物质的不均匀分布中形成
而且通过吞噬它们的小邻居
大星系也形成了
我们的银河系
追溯到过往130亿年的一长串合并过程的产物
太阳和地球产生于富含铁、硅、钙等的气体中
这些元素是在银河系内80亿年的恒星燃烧累积起来
但是我们目前还是无法精确说出宇宙中的物质到底是由什么构成
暴胀理论暗示Ω=1,
然后就看不懂了
然后有人展示
一个星系团中的质量越多，其中的星系就运动得越快
后来的各种实践也证明
成群星系的总质量远大于发射可见光的恒星的质量
但这个质量仍然太小
不足以让Ωm=1
Ωm好像是引力质量密度
也就是物质密度
Ωm越大，我们看到的东西越少
所以让Ω=1，那一个星系的质量也远远大于那些我们能看到的恒星
也就是在恒星之外的我们不知道的东西实在太多了
即使Ωm=0.3
也要求宇宙中大部分物质是看不见的不熟悉的事物
也就是说Ωm=0.3相比1小了0.7，却仍然大过所有使星系发光的可见恒星的质量加起来得到的密度
也就是Ωm=0.3也大于发光恒星的加起来的密度
Ωm=0.005也只能看到发射X射线的热气体和所有其他我们能够直接探测到的物质
把这些加到质量里也只有我们算出来的总质量的 十分之一
而且那十分之九的质量确实存在，我们看到了它的引力效应
但是我们看不到它发射或吸收的任何光
暗物质
暗是因为我们看不到，不是暗色
而且基于观测等，证明大部分暗物质并非由构成我们身体等的中子质子和电子组成
而是陌生的“物质”
他叫暗物质并不是因为颜色暗
是因为不吸收和发射光
物体呈现黑色是因为它什么颜色的光都不反射,全部吸收了
而这玩意既不吸收也不反射
生成氦的时候
氢的同位素氘
只有在宇宙冷却到足以使氘幸存于伽马射线浴
氦才能被组装起来，这时大多数氘核都进入了氦核，还有一点掉队了
这些掉队的那些成了我们现在看到的宇宙中气体的一部分
氘量很少但是能被探测到
残留量对氦组装时宇宙中的中子和质子的密度非常敏感
所以氘量取决于密度Ωb
也就是重子在宇宙中所占的比例
指的是中子和质子
因为中子和质子相对于电子和中微子那些是重的
也就是活下来多少氘全靠重子（中子和质子
通过测量计算
从生成氦时期遗留下来的氘量比用Ωb=1算出来的数量大十倍以上
基于残留的氘量，Ωb的最佳估计值是0.04左右
如果物质密度Ωm约为0.3，且重子密度Ωb是0.04，那么宇宙中大多数物质不可能是重子
所以我们可以直到暗物质是由我们不认识的那些东西组成的
这时候我们要考虑下一个东西：中微子
中微子不发射或者吸收光，也不是重子
但是中微子的质量实在太小了
而质量是暗物质必须拥有的
中微子，Out
不过中微子只是从暗物质中out，实际上它的质量并不完全为0
所以中微子对Ωm做出了微小的贡献
所以说目前的猜测就是我们的宇宙至少有三种物质
一些暗重子，少许中微子质量，但大部分还是其他东西
也就是暗物质那些奇怪的东西
如果暗物质是类似中微子的物质，只是具有更大的质量
那么它就会无处不在，因为它们不通过粘合原子核的强力相互作用，也不通过使人难以穿过墙壁的电力相互作用
这些“弱相互作用大质量粒子”，被人戏称为WLMP，也就是窝囊废
理论粒子物理学提出了候选体
轴子和中性微子
是的，它们还没有被找到
只是作为概念存在
对于一个Ω=1的宇宙
宇宙时间尺度引发了最困难的问题
引力减缓宇宙膨胀，但其减缓的量取决于Ωm
引力减缓宇宙膨胀
使得哈勃时间高估了宇宙年龄
如果引力一直减缓宇宙膨胀
那宇宙的实际年龄将会小于140亿年
Ωm=1是剃刀的边缘
如果Ωm比1稍微大一点
那么膨胀最终会停止，然后逆转
变成一种收缩状态
如果宇宙始于一场大爆炸
那么Ωm大于1的宇宙将终于一场大挤压
也就是生于大爆炸
灭于大挤压
恒星会蒸发回气体形态
原子核最终会熔回组成它们的简单粒子
目前我们认为Ωm为1
因为它合适
随着宇宙的膨胀和减速
Ωm=1的宇宙始终保持
而且通过熨平一切曲率
就会得到Ωm=1
理论宇宙学家把Ωm=1的可能性称为
标准冷暗物质模型
不过Ωm=1也有问题
一就是宇宙时间尺度
如果宇宙一直在以引力物质主导下的宇宙所需要的方式减速
那么宇宙年龄就会与恒星年龄相冲突
二就是测量星系质量给出的Ωm
也就是与星系相关联的暗物质密度远低于1
所以如果总的Ω真的是是1，但引力物质的密度Ωm不是1
那么必然有其他东西对宇宙密度有显著的贡献
如果Ω是1，但引力物质的密度Ωm不是1，那肯定还有其他东西对宇宙密度有显著贡献，因此提出了两种可能
一种可能是受引力作用，但不与星系群聚的东西
如果物质是均匀分布的，它就无法达到我们在星系团中获得的测量值
热暗物质
单个粒子运动的速度很快
所以不会落入星系团
但是热暗物质太多的话就会把宇宙中不断增长的结构弄走很多
所以就无法产生我们在红移巡天中看到的多团块宇宙
对结构在宇宙中生长方式的精确数值计算表明
热暗物质会造就比我们观测到的宇宙更为平滑的宇宙
如果热暗物质是最重要的成分
那么在大型红移巡天中看到的 星系大尺度分布就根本无法与之相符
也就是热物质会改变宇宙
尤其是他的重要性越大
一就是热暗物质
还有一种可能是它可能是宇宙学常数
暗能量的等效质量作为ΩΛ
贡献给总的Ω
它可以使宇宙平坦，但不会出现在物质密度Ωm的测量中
也就是有暗物质和暗能量
但是这个可能
警惕一下，想一想爱因斯坦的后悔
第8章 学习游泳
宇宙学常数
爱因斯坦1917年创造，用来解释一个静态的宇宙
但是在20世纪30年代这个观点被大多数天文学家抛弃
因为要与膨胀宇宙的观测事物相吻合是不需要宇宙学常数的
目前新的事实表明我们可能真的需要宇宙学常数
也就是Λ：一个拥有负压的暗真空能量
事实
宇宙膨胀
宇宙微波背景辐射的余晖
星系团中的星系超速运动
表示星系的质量远比肉眼所见的大得多：星系被困在看不见的暗物质的引力势阱里
来自氦和氢的重同位素氘
氘的测量值给重子密度设置了如此低的上限，给了这一个观点
宇宙中的大部分物质不是我们所知的来自元素周期表的物质，也不是组成我们的材料
还有一些天文学事实通常是基于一长串测量和推理的推论
也就是并不算完全的共识，但是是经过辩论等之后的天文学家们普遍承认的
比如 银河系中最古老的恒星的年龄大约有120±10亿年
比如 哈勃常数约为70±7千米每秒每百万秒差距
比如 宇宙密度，以临界密度的零点几来表示
Ωm=0.3±0.1
过去的50年里的宇宙学检验的每一个讨论都要拉姆塔=0
只有当宇宙学常数不存在时，这些预测才是简单的
宇宙加速
目前的宇宙图像
宇宙拥有发光和黑暗的普通物质
至少三种暗物质：重子、中微子和弱相互作用大质量粒子WIMP
和大量的暗能量，其负压驱动了暴胀期
还有另一驱动如今宇宙加速的作用期更长的暗能量
这是一个巴洛克式混合体
崇尚豪华和气派
违反常识，违反奥卡姆剃刀原则和形式之美
目前所有的证据都集中于一个观点就是现在宇宙的暗能量占多数
暗能量可能是宇宙学常数，或者其他随时间变化的东西
获得加速宇宙的证据
第一步就是发展一套可靠的标尺来测量宇宙中的距离
最好的工具是白矮星作为Ⅰa型超新星爆发的过程
大得惊人的能量释放标志着一颗恒星的死亡
相当于数十亿个太阳
哈勃曾经用造父变星来绘制到近邻星系的距离
巴德就推断对于中等距离来说超新星可能是一种有用的标尺
不过当时超新星并不适合作为标准烛光
但现在最适合不过
因为闵可夫斯基通过检查超新星的光谱，光谱传递了有关恒星残骸化学成分和膨胀速度的信息
1940年闵可夫斯基发现了完全不同于之前的新星或超新星的光谱的超新星：SN1940B
SN1940B 拥有强且易于识别的氢线，是另一类型的超新星
闵可夫斯基的观测将超新星分为Ⅰ型和Ⅱ型
Ⅰ型没有氢线
Ⅱ型有显著的氢线
不过还有Ⅰb和Ⅰc型这种属于其他的
Ⅰ型超新星
具有神秘难解但一致的光谱，原型是SN1937C
Ⅰ型超新星目前就是标准烛光，他们拥有相似的光谱
约8倍太阳质量的小质量恒星最终成为白矮星，内部由碳和氧组成
或者在最大质量前身星的情况下由氧氖镁组成
白矮星没有被点燃，因为由量子力学效应来维持
白矮星是潜在的热核炸弹，还有未燃尽的燃料
霍伊尔和福勒确定Ⅰ型超新星是一颗白矮星的核爆发，且可能是由一颗双星伴星的外加质量引发的
如下的都是霍伊尔和福勒的实验
但是好像完全正确
这为一致性提供了理论基础——钱德拉塞卡计算出白矮星由一个固定的质量上限，即1.4倍太阳质量
因此一致的能量输出可能来自相同的恒星在最大质量上的爆发
而大质量恒星是融和碳和氧却不引爆，是燃烧氧生成硫和硅，最终一直融和到生成铁
然后再核结合的最低点坍缩
接下来就是作者讲他的经历
带着很多人名
看不懂了
第9章 初识超新星
还是在找一个可靠的标尺来测量宇宙的距离
也就是找宇宙学的工具
红移与距离成正比的哈勃定律只是整部宇宙膨胀历史的近似
红移在物理学和天文学领域，指物体的电磁辐射由于某种原因频率降低的现象，在可见光波段，表现为光谱的谱线朝红端移动了一段距离，即波长变长、频率降低。
在近邻处几乎完全正确
但是在可观测宇宙的大部分地方却并一定是这样
距离越近红移越严重
但是距离远了红移不一定符合哈勃定律
近邻处
超新星的视亮度随距离的平方反比下降
而近邻处红移与距离成正比
Ⅰa型超新星并不是都相同的
个别天体还是很随心所欲的
比如SN 1985F展现出极强的氧和钙的发射线
所以有猜测是这是一颗大质量恒星爆发的晚期阶段
恒星中部的钙和氧没有坍缩成中子星，而是在超新星爆发中炸了出来
但是这又不是Ⅱ型超新星
因为它没有氢
据发现，特殊Ⅰ型超新星的光谱和SN1985F的光谱非常相似，尤其是观测特殊Ⅰ足够久
因此有推测是大质量恒星摆脱了它们的富氢包层后爆发
是核坍缩的大质量恒星
但是没有包裹大量未燃烧的氢
Ⅰb型超新星
他们在爆炸前的星风中失去了氢包层
而没有氢包层的超新星会很暗淡
不容易被观测到
假设宇宙学常数=0，则宇宙的性质仅由引力物质来决定
则Ω=Ωm
则Ω=1的宇宙恰恰有所需的质量密度，可以一直减缓膨胀
如果Ω=1，Λ=0，那就是一个减速宇宙
如果Λ不等于0，那宇宙的近代历史可能会包括一段加速时期
在相同红移的情况下，超新星看起来更加暗淡
这一段完全看不懂
在红移相同的情况下
超新星在Ω=1比Ω=0的宇宙更亮
如果超新星都是相同的，那它们会在哈勃图上完美的沿着亮度和红移的平方反比线排列
但是有些超新星本质上就是比其他超新星更亮
所以即使红移相同，也不会完全落在这条线上
接下来就是作者讲他的经历
带着很多人名
看不懂了
第10章 搞定超新星
和第11章都属于那种作者经历和争论等
我就不看了
所以疯狂的宇宙虎头蛇尾
但是完本了
不错不错
Ⅰa和Ⅱ型超新星
la型超新星主要是白矮星吸积导致的爆发。
白矮星是中小质量恒星，太阳质量左右到太阳8倍质量以下的恒星，死亡后的尸骸就是白矮星。白矮星是一种致密的天体，质量有太阳的0.5倍~1.44倍之间，体积却只有地球大小，上面的物质是电子简并态，密度极高，每立方厘米有1~10吨。
也就是白矮星吸积造成Ⅰa型超新星，白矮星吸积就是抢了它原来兄弟的衣服，然后抢的衣服太厚太多（或者不合适等），就热爆炸了
宇宙中恒星一般都是双星系统或者多星系统，像我们太阳系这样的恒星系统比较少，只占10%左右。这样就出现了两颗或者多颗恒星中，并不一定同时老去的现象，先死亡的恒星如果变成了一颗白矮星，这种致密高重力的天体就会吸积附近恒星的物质。
所谓吸积就是强拉硬扯把附近恒星身上的外衣剥下来，据为己有。
被剥下来的气体物质在白矮星表面高温高压下，就会发生燃烧甚至新的核聚变，爆发出巨大能量，将部分物质抛向太空。
这种爆发可以把白矮星的亮度瞬间提升50000倍到100000倍。
白矮星吸积达到1.44个太阳质量以上时，就超过了钱德拉塞卡极限，这时候电子简并压就再也抵御不住巨大的引力压了，平衡被打破，更加剧烈的爆发出现。
这种爆发有两个结局，一是爆炸后摧毁了整个白矮星，尸骨无存地化为星际尘埃；二是导致剧烈的收缩，最终收缩呈一个更加致密的中子星。
大质量恒星铁核坍缩的爆炸本来归类为Ⅱ型超新星爆发，但由于lb和lc型爆发之前，大质量恒星外壳的氢包层，甚至氦包层都已经失去，这样爆炸就没有了或者极少氢线，所以就归类为Ⅰ型。
Ⅱ型超新星是大质量恒星死亡前的辉煌一瞬间，是宇宙中惊天动地的大事件，是恒星临终前给予世界的再创造，扮演了创造宇宙万物的上帝之手角色。
与大质量恒星爆发相媲美的大爆发还有中子星相撞、黑洞相撞，同样甚至能够爆发出更大的能量。
这种绿色就是不懂的地方
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