宇宙膨胀的真相及暗物质与暗能量

宇宙膨胀的真相及暗物质与暗能量［摘要］自从美国天文学家哈勃（Hubble）发现星系退离我们的速度随着星系与地球间距离的增加而增加并于1929年提出哈勃定律之后，这个定律后来得到了更多观测的证实。于是有人提出了“宇宙大爆炸理论”，该理论逐渐被接受为宇宙起源的解说。从此天文物理学界就认为宇宙正以一种恒定的速度膨胀，直到1998年SaulPermutter,BrianP.Schmit和AdamG.Riees通过对几十个遥远超新星的观察发现宇宙正以加速度膨胀。但人类仍然无法完全解释宇宙正以加速度膨胀的真相。因此，本文作者再次研究了宇宙星系的形成与演进，揭示了星系的结构，并根据星系结构的理论证明了哈勃定律，进而揭示了宇宙加速膨胀的真相以及暗物质和暗能量的实质。［关键词］哈勃定律；宇宙膨胀；星系结构；卫星；行星；恒星；暗物质；暗能量中图分类号：S162文献标识码：A文章编号：1009-914X（2018）29-0097-04引言1929年美国天文学家哈勃首次通过太空望远镜发现星体间距离不断变大的现象并提出了哈勃定律。其中不可思议的是他发现星系退离我们的速度随着距离的增加而增加，距离地球100万光年的星系仅以每秒约20公里的速度退离地球，而距离地球250万光年的星系以每秒约50公里的速度飞离地球。哈勃的发现直接导致了“宇宙大爆炸理论”的诞生，该理论认为宇宙曾经是一个致密炽热的奇点，137亿年以前发生了一次宇宙大爆炸，从此宇宙就在不断地膨胀和冷却［1］。显然该理论并未给出宇宙爆炸的充足理由和合理结果。于是天文学界就认为宇宙以一种恒定的速度膨胀，直到1998年SaulPermutter,BrianP.Schmit和AdamG.Riees通过对几十个遥远超新星的观察发现宇宙正以加速度膨胀，他们于是获得了2011年的物理学诺贝尔奖［2］。但人们仍然无法解释宇宙加速膨胀的真正原因。如果用作者提出的的星系结构理论来解释宇宙膨?这一现象，则可以很容易地证明了哈勃定律及SaulPermutter,BrianP.Schmit和AdamG.Riees结论，解释宇宙膨胀的真正原因,并揭示暗物质和暗能量的实质。宇宙星系结构行星系统的形成与演化根据太阳系的形成规律［3］可知,一个恒星能够产生多个绕其旋转的行星,而有些行星又能产生一些绕其运行的卫星,从而形成一个恒星加行星的系统。任何一代非根星球都是作为其父行星的卫星生成的,这些卫星不断地吸积轨道附近的星云物质而变得越来越大,并在星子的撞击或自转逐渐加速的父行星的万有引力的拖曳下渐渐地远离父星。特别地当父行星和卫星分别变成了恒星和行星之后，在行星绕父恒星旋转的过程中，行星又会在父恒星的阳光照射下，使行星的尾部半球所受的大气压力大于头部半球所受的大气压力，从而行星公转加速，行星扩轨，渐渐地远离父恒星［4］，而且行星还可能产生新的卫星。随着行星渐渐地远离其父恒星，父恒星对行星的引力也渐渐变小，因而行星的自转也会渐渐加速，带动卫星转得更快，最终导致卫星远离行星。恒星的形成与演化(1)恒星的诞生在行星环绕父恒星旋转的过程中，它们不断地吸积轨道附近的气体和尘埃及其他星际物质而变得越来越大，并且在其周围形成越来越厚的大气层。当一个行星的质量变得非常大，以致其核心温度和气体密度高得足以启动和维持热核反应时，一个新恒星就诞生了［5］。(2)壮年恒星一主序星恒星诞生之后即进入以氢核聚变为主要能源的演化阶段。在这个阶段，恒星内部气体的向外膨胀力和重力引起的向内收缩力大致平衡，使恒星基本上不收缩也不膨胀。所以这是一个相对稳定的阶段，持续时间约占整个寿命的90%以上，称为恒星的主序阶段，是恒星的青壮年期［6］。(3)中年恒星一红巨星恒星在绕星系中心旋转的过程中不断地吸积轨道附近的气体和尘埃及其他星际物质，这些被捕获的物质很难逃脱恒星浓密大气层的包围。许多轻元素经过恒星的热核反应聚变成重元素。所以当一个恒星演变到主序星阶段末期时，其质量大增，可达到几倍太阳的质量。恒星质量越大，消耗的能源越快，捕获的外界物质越来越难满足其能源需求。特别是晚年的恒星通常会衍生出层次复杂的子星系，包括一些子恒星、行星和卫星，这些子星系不断地围绕着老恒星旋转，争夺老恒星的资源。当恒星中心区热核反应所需要的的氢不足时，氢聚变的热核反应就无法在中心区继续。这时引力重压没有辐射压来平衡，星体中心区就要被压缩，温度会急剧上升。中心氦球温度升高后使紧贴它的上层氢氦混合气体受热达到引发氢聚变的温度，热核反应重新开始。如此氦球逐渐增大，氢燃烧层也跟着向外扩展，使星体外层物质受热膨胀起来向红巨星转化［7］。(4)晚年恒星一白矮星当恒星演化到晚年时，在恒星的一系列核反应停止或接近尾声时，恒星外层的物质挡不住中心的引力而发生收缩，直到中心引力与核心电子简并压力达到平衡时，收缩才停止，形成白矮星。收缩过程中释放出很大的能量使白矮星白热化，表面温度高达1万摄氏度以上。这就是白矮星发白光的原因。（5）死而复活一超新星在一个星系的运行过程中，白矮星不仅会不断地吸收轨道附近的物质而增加自身的质量，而且可能吞并过长子星系撞击送来的天体，使白矮星逐渐演变为大质量恒星，如图1所示。事实上，白矮星从行星开始，经过漫长的时间可能衍生出包含多代星球的子星系，空间尺度变得很长，以至于该子星系在绕白矮星的子星旋转时，其尾部卫星可能进入白矮星的引力视界，最终被白矮星吞并，使白矮星的质量和密度大增。不仅如此，当白矮星的子星系撞击白矮星时会产生巨大的能量，甚至启动热核反应，将陨落到白矮星上的卫星融合成一体。由于白矮星中心的强大引力，新增添的外层物质立即收缩，使该白矮星的转动惯量减少，但保留白矮星原有的角动量，因此导致白矮星转速迅速增加，并引起其下层星球外移，从而扩大了这两个星球之间的距离。白矮星的子星系可能与白矮星撞击多次，直到白矮星与其子星之间的距离允许白矮星的子星系通过为止。这就是星系结构形成与演进的基本原理。白矮星经过一系列演变之后，形成重元素在内、轻元素在外的洋葱状结构，其核心主要由铁核构成。由于大质量恒星的内部引力极强，星球有向内收缩的趋势。特别是每当遇到巨大天体的碰撞时可能导致一次超新星爆发，使外层星体则被炸裂向外抛射。爆炸时光度可能突增到太阳光度的几亿倍，使恒星成为超新星［9］。（6）恒星末期一中子星在白矮星向大质量恒星演变的过程中，可能要经历多次超新星爆发。每一次超新星爆发都有坍塌同时发生，坍塌作用使核心处的物质压缩得更为密实。当白矮星的质量增加至超越钱德拉塞卡极限（1.4倍太阳的质量）时，特别是遇到巨大天体的撞击时，就会导致一次超新星爆发，星核的引力将大到足以把星核内的原子压缩到使电子和质子结合成中子，使白矮星被压缩成直径只有十几公里、每立方厘米的物质重达十亿吨的中子星。当恒星收缩为中子星后，自转速度大大加快，能达到每秒几圈到几十圈。（7）恒星?K点一黑洞中子星也有质量上限，最大不能超过大约3倍太阳质量。如果在超新星爆发后核心剩余物质超过大约3倍太阳质量，中子简并态也抗不住所受的压力，只能继续坍缩下去，最后收缩成更小的质点一黑洞。在这个质点周围存在一个引力范围，任何物体进入这个范围都无法逃脱［10］。但无论是中子星还是黑洞，当遇到巨大天体的碰撞时都可能导致一次超新星爆发。比如2011年由美国圣母大学天文学家彼得?加尔纳维切领导的科研小组用了3年时间分析开普勒所观测的50万亿颗恒星的光谱，结果找到两颗超新星，其中一颗名为KSN2011a,大小相当于近300个太阳，距地球约7亿光年；另一颗名为KSN2011d,大小相当于约500个太阳，距地球约12亿光年。2.3星系的结构根据前面的讨论和太阳系的形成规律可知：一个恒星还可能有其父恒星或更高层次的祖恒星；一个恒星能够产生多个绕其旋转的行星，而有些行星又能产生一些绕其运行的卫星；当一个卫星成长为行星时，它又能产生下一代卫星。因此，我们可以断言，一个星系的基本结构是由多代星球构成的层次结构，如一个树形结构。整个宇宙包含许多这样的星系，犹如一个无边的森林。在一个典型的星系结构中，从作为树根的星系中心到作为树叶的某个卫星的一条路径上可能包含若干个黑洞、若干个中子星、若干个白矮星、。〜1个红巨星、1个主序星、1个行星和1个卫星。一个星系的每个分支通常至多只有两层发光的恒星，而且发光的恒星一般处于星系的底部两层［3］。银河系就是由多代星球组成的复杂层次结构，有一个银心和至少两条旋臂，旋臂相距4500光年。太阳就位于银河系的一个支臂-猎户臂上，至银河中心的距离大约是26，000光年。天文学家玛丽亚?格曼通过对银河系恒星集群盘面的研究表明，银河系内围的恒星集群年龄较大，而外围的恒星则更加年轻，可以推测银河系的形成从内部开始，后来逐渐演化到10万光年以上的直径。银河系在成长过程中还吞并了许多小星系，来自其他星系的天体汇入了银河系的内部。所以太阳是经过多代星球的衍生形成的恒星，地球则是太阳的子行星，月亮是太阳系最末代的星球。类似地，哈勃所观察到的银河系之外的星系也是多层次结构，呈长长的旋臂，如图2所示。这是天文学家发现的一个迄今为止最大的超星系团一Laniakea超星系团，其中包括了我们的银河系、本星系群其他星系和邻近室女座星系团在内的数千个成员星系。其中绿色区域拥挤著以白点标示的星系，白线呈现它们如何绕超星系团的中心运动，橘线标出Laniakea的外缘，而蓝点就是我们地球所在的位置［11］。另外，对于同一层次结构来说，星球所处的层次越高，经过了较长时间的积累，其质量也越大，当其原恒星坍缩为白矮星、中子星或黑洞时，保留了原恒星大部分角动量，但半径只是原恒星极微小的量，转动惯量的减少导致了转速迅速地增加，产生非常高的自转速率。因此，一般地层次越高的星球其自转速度越快。宇宙膨胀的真相哈勃定律的证明正如哈勃在观察银河外星系时所发现的那样，星系的分布大致均匀，所以它们可用图3粗略地表示出来。虽然这些遥远的星系似乎是孤立于空间的体系，但观察者发现这些星系都以一定的速度远离我们的空间区域，而且它们远离我们的速度随着距离的增加而增加。这说明它们都有各自的父星，但这些父星都在被观察到的星系之外，而且被浓密的大气层包围着以至无法察觉，正是在这些父星的万有引力牵引下，它们各自快速地绕父星旋转，而且这些子星系绕父星旋转的速度大于地球绕太阳旋转的速度，所以观察者觉得它们都在快速地远离我们的空间区域。另外，根据星系形成与演进的对称性可知，一个大星系应该呈扁球形，投影是一个椭圆；用望远镜观察到的远距离星系一般比较大，所以投影是椭圆形。假设一个近距离星系与地球的距离为d,一个远距离星系与地球的距离为nd,当用望远镜观察到这个远距离星系的图像与这个近距离星系的图像有相同大小时,则该远距离星系的实际大小应该是近距离星系实际大小的倍,所以如果设近距离星系的直径、宽度、厚度分别为,则远距离星系的直径、宽、高分别为。又因为从大尺度范围来说星系的质量分布近似均匀,这也可从缩小的图像中更清楚地看到,所以远距离星系的质量大约是近距离星系质量的倍。假设近距离星系的质量为,该星系父星的质量为,以该父星为中心的星系一般包含2个悬臂或子星系,所以该星系的质量大约为；根据推测一个星系中心恒星的质量一般约为该星系总质量的,故类似地,假设远距离星系的质量为,该星系父星的质量为,则,故一般地，一个子星系的父星实际上就是该子星系中心恒星的父星，这两个恒星之间的距离近似地等于该子星系直径的一半。假设一个子星系的父星的质量为，该子星系的中心恒星的质量为，它与父星的距离为并以速度绕父星旋转，则根据万有引力定律应有，从而因此，如果假设远距离星系的直径为、父星的质量为，近距离星系的直径为、父星的质量为，则该远距离星系绕父星的旋转速度与近距离星系绕父星所的旋转速度之比为：即远距离子星系的旋转速度是近距离子星系旋转速度的n倍。这便证明了著名的哈勃定律。SaulPermutter,BrianP.Schmit和AdamG.Riees结论的证明1998年SaulPermutter,BrianP.Schmit和AdamG.Riees通过对几十个遥远超新星的观察发现宇宙不仅正在膨胀而且以加速度膨胀,并认为宇宙加速膨胀的动力可能来自于暗能量。这一有悖于常理的发现使宇宙物理学界大为震惊、迷惑不解。事实上,根据作者的星系结构理论不难揭示“宇宙加速膨胀”的真相。由于观察者发现这些超新星都以一定的速度远离我们的空间区域,这说明它们都有各自的父星,但这些父星都在被观察到的星系之外，而且被浓密的大气层包围着以至无法察觉，正是在这些父星的万有引力牵引下，它们各自快速地绕父星旋转，而且这些超新星?@父星旋转的速度大于地球绕太阳旋转的速度，所以观察者觉得它们都在快速地远离我们的空间区域，如图3所示。假设一个近距离超新星与地球的距离为d,一个远距离超新星与地球的距离为nd,当用望远镜观察到这两个超新星的图像有相同大小时，则该远距离超新星的实际大小应该是近距离超新星实际大小的倍,所以远距离超新星的质量大约是近距离超新星质量的倍,以该远距离超新星为中心的星系的大小也是以该近距离超新星为中心的星系的大小的倍。假设一个超新星的质量为,根据推测一个大星系中心恒星的质量一般约为星系总质量的0.5%,所以以该超新星为中心的星系总质量是。假设该超新星有其父星而且以该父星为中心的星系有两个旋臂或子星系,则该星系的质量约为,所以该超新星的父星的质量约为。因此,假设一个近距离超新星的质量为，它与地球的距离为d，一个远距离超新星的质量为，与地球的距离为nd，则该近距离超新星的父星的质量为，该远距离超新星的父星的质量为,而且。因此,如果假设以远距离超新星为中心的星系的直径为、其父星的质量为，以该近距离超新星为中心的星系的直径为、其父星的质量为，则远距离超新星绕父星的旋转速度与近距离超新星绕父星的旋转速度之比这表明如果宇宙匀速膨胀，则对超新星的观察同样证实了哈勃定律成立。事实上，超新星爆发时会快速地消耗超新星周围的大气层，使超新星可燃烧的气体能源越来越少；另外，在超新星爆发过程中其外层星体被炸裂向外抛射，致使超新星的质量迅速递减，超新星吸收外部可燃烧资源的能力也相应递减，这就使超新星自身亮度逐渐递减。另一方面，随着超新星周围大气层的变薄，它绕父星旋转的障碍会逐渐变小，转速逐渐递增。此外，超新星向外抛射的部分物质被其父星吸收后，也会使父星质量逐渐递增，从而使超新星环绕父星的旋转速度逐渐递增，最终导致超新星加速远离地球，从而得出SaulPermutter,BrianP.Schmit和AdamG.Riees关于宇宙加速膨胀的结论。星系红移和紫移并存的原因天文学家对银河系之外的观察发现，本星系群中有些成员的视向速度是正值，表明它们远离银河系而去，有些成员的视向速度是负值，表明它们向银河系靠拢，如表1所示［11］。可见并非所有星系都在离我们远去，相反还有星系向我们靠拢，这就足以否定宇宙膨胀的结论。事实上宇宙星系的红移和紫移并存并不矛盾。因为这些星系都绕自己的父星旋转，只是径向有别。如图3所示，星系1与星系2的径向相反，所以地球上的观察者可看到星系1在远离我们的空间，而星系2在靠近我们的空间，它们的光谱位移分别是红移和紫移。暗物质与暗能量人们在研究星系的运动时观测到有些星系内层和外层星体以一致的速度绕中心旋转，由此设想在星系外部还包围着一圈大质量的暗物质，只有这样才能保证星系的稳定。另外，自20世纪20年代哈勃发现宇宙正在膨胀的现象之后，人们还一直在寻找一种无形的能量一暗能量，他们认为只有暗能量的存在才能拉伸空间结构并且导致宇宙的加速膨胀。但是科学家至今还未找到这种所谓的暗物质，对于暗能量的本质及其作用也认识不清，于是“暗物质”和“暗能量”就成为了当今天文学界、宇宙学界和物理学界中最大的谜团之一。如果按照作者提出的星系形成理论则能很容易地解释宇宙膨胀的现象及相关的“暗物质”和“暗能量”的概念［12］：（1）保证星系的稳定的暗物质就是星系中的黑洞、中子星和其他大质量恒星，因为它们的万有引力是如此巨大以至它们的子星系只能绕它们运转。（2）驱动一个子星系远离其父星的暗能量就是作用在该子星系中心恒星的离心力。这是因为一个过长子星系撞击其父星时会产生巨大的能量，甚至启动热核反应，将陨落到父星上的卫星融合成一体。由于父星中心的强大引力，新增添的外层物质立即收缩，使该父星的转动惯量减少，但保留父星原有的角动量，因此导致父星转速迅速增加，并引起其下层星球外移，从而扩大了这两个星球之间的距离。类似的撞击可能发生多次，直到该父星与其下层星球之间的距离允许该子星系通过为止。（3）卫星是由行星生成的。正是在行星发生巨大火山喷发时卫星雏形被射入绕行星运转的轨道，然后不断地凝聚轨道附近的火山喷射物或其他星际物质而变得越来越大，并在星子撞击或或自转逐渐加速的父星的万有引力的拖曳下渐渐地远离行星，演变成今天的卫星。可见形成卫星的暗物质就是父星的火山喷射物或来自其他星球的速度达到第二或第三宇宙速度的星际物质。（4）在行星绕父恒星旋转的过程中，行星又会在父恒星的阳光照射下，使行星的尾部半球所受的大气压力大于头部半球所受的大气压力，从而行星公转加速，行星扩轨，沿螺旋线渐渐地远离父恒星［4］。随着行星渐渐地远离其父恒星，父恒星对行星的引力也渐渐变小，因而行星的自转也会渐渐加速，带动卫星转得更快，最终导致卫星也远离行星。因此行星尾部半球所受的大气压力与头部半球所受的大气压力之差就是驱使行星渐渐地远离父星的“暗能量”。（5）过去天文学家避开银河系的屏蔽来观察一个河外星系，发现距离地球几百万光年的星系以正速度飞离地球，于是断言暗能量是一种充溢空间的、增加宇宙膨胀速度的难以察觉的能量形式，这是错误的。因为观察到的遥远星系之所以以正速度飞离地球是因为该星系绕父星的旋转速度比地球绕太阳的旋转速度快，所以带动该遥远星系飞离地球的“暗能量”实质上就是其父星的万有引力。结论由于以前人们没有认识到宇宙星系是一种层次结构，把哈勃观察到的河外星系视为一种独立的星云，结果当哈勃发现星体间距离不断变大时，便错误地提出了宇宙膨胀理论。只是在作者研究并揭示了星系实质上是一种层次结构之后，人们才能认识到哈勃观察到的河外星系实质上是一些观察不到的坍缩星球（如中子星或黑洞）所牵挂的子星系。由于这些星系绕父星的旋转速度快于作为地球绕太阳的旋转速度，因此哈勃所观察到的河外星系都以加速度退离地球。由于SaulPermutter,BrianP.Schmit和AdamG.Riees所观察到的遥远超新星绕父星的旋转速度快于地球绕太阳的旋转速度，所以他们觉得这些超新星也以加速度退离地球。因此，我们可以断言宇宙膨胀是一种假象，保证星系的稳定的暗物质就是星系中的黑洞、中子星和其他大质量恒星，驱动一个子星系远离其父星的暗能量就是作用在该子星系中心恒星的离心力。参考文献GordonFraser.21世纪新物理学皿].北京：科学出版社，2013：13-40.NobelphysicsprizehonoursacceleratingUniversefind.BBCNews.October4，2011。[3]Cui-xiangZhong.TheFormationandEvolutionofGalaxiesandtheExpansionoftheUniverseaswellasDarkMatter&DarkEnergy[J].AASCITJournalofPhysics，2016-07-10.Cui-xiangZhong.TheRealReasonfortheEarthandOtherPlanetstoMoveAwayfromthe