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什么是电子天文学理论?

2012年02月23日 15:14 本站整理 作者:秩名 用户评论(0

  在众多解释宇宙早期演化的理论中,大爆炸理论是比较能够被物理学界广泛接受的科学理论。在大爆炸的最初几秒钟时间,温度远远高过100亿K。那时,光子的平均能量超过1.022 MeV很多,有足够的能量来创生电子和正电子对。

  同时,电子和正电子对也在大规模地相互湮灭对方,并且发射高能量光子。在这短暂的宇宙演化阶段,电子,正电子和光子努力地维持着微妙的平衡。但是,因为宇宙正在快速地膨胀中,温度持续转凉,在10秒钟时候,温度已降到30亿K,低于电子-正电子创生过程的温度底限100亿K。因此,光子不再具有足够的能量来创生电子和正电子对,大规模的电子-正电子创生事件不再发生。可是,电子和正电子还是继续不段地相互湮灭对方,发射高能量光子。由于某些尚未确定的因素,在轻子创生过程(英语:leptogenesis (physics))中,创生的电子多于正电子。否则,假若电子数量与正电子数量相等,现在就没有电子了!大约每10亿个电子中,会有一个电子经历了湮灭过程而存留下来。不只这样,由于一种称为重子不对称性的状况,质子的数目也多过反质子。很巧地,电子存留的数目跟质子多过反质子的数目正好相等。因此,宇宙净电荷量为零,呈电中性[63]。

高能量光子能够与原子核的库仑场相互作用,从而创生电子和正电子。这过程称为电子正电子成对产生  
高能量光子能够与原子核的库仑场相互作用,从而创生电子和正电子。这过程称为电子正电子成对产生。

  假若温度高于10亿K,任何质子和中子结合而形成的重氢,会立刻被高能量光子光解。在大爆炸后100秒钟,温度已经低于10亿K,质子和中子结合而成的重氢,不再会被高能量光子光解,存留的质子和中子开始互相参予反应,形成各种氢的同位素和氦的同位素,和微量的锂和铍。这过程称为太初核合成[64]。在大约1000秒钟时,温度降到低于4亿K。核子与核子之间,不再能靠着高速度随机碰撞的机制,克服库仑障壁,互相接近,产生核聚变。因此,太初核合成过程无法进行,太初核合成阶段大致结束。任何剩余的中子,会因为半衰期大约为614秒的负贝塔衰变,转变为质子,同时释出一个电子和一个反电子中微子。

  在以后的377,000年期间,电子的能量仍旧太高,无法与原子核结合。在这时期之后,随着宇宙逐渐地降温,原子核开始束缚电子,形成中性的原子。这过程称为复合。在这相当快的复合过程时期之后,大多数的原子都成为中性,光子不再会很容易地与物质相互作用。光子也可以自由地移动于透明的宇宙[65]。

  大爆炸的一百万年之后,第一代恒星开始形成[65]。在恒星内部,恒星核合成过程的各种核聚变,会造成正电子的创生(参阅质子-质子链反应和碳氮氧循环)。这些正电子立刻会与电子互相湮灭,同时释放伽马射线。结果是电子数目稳定地递减,跟中子数目对应地增加。恒星演化过程会合成各种各样的放射性同位素。有些同位素随后会经历负贝塔衰变,同时发射出一个电子和一个反电子中微子结果是电子数目增加,跟中子数目对应地减少。例如,钴-60(60Co)同位素会因衰变而形成镍-60[66]。

  质量超过20太阳质量的恒星,在它生命的终点,会经历到引力坍缩,因而变成一个黑洞[67]。按照相对论理论,黑洞所具有的超强引力,足可阻止任何物体逃离,甚至电磁辐射也无法逃离。但是,物理学家认为,量子力学效应可能会允许电子和正电子创生于黑洞的事件视界,因而使得黑洞发射出霍金辐射,。

  当一对虚粒子,像正电子-电子虚偶,创生于事件视界或其邻近区域时,这些虚粒子的随机空间分布,可能会使得其中一个虚粒子,出现于事件视界的外部。这过程称为量子隧穿效应。黑洞的引力势会供给能量,使得这虚粒子转变为真实粒子,辐射逃离黑洞。这辐射程序称为霍金辐射。在另一方面,这程序的代价是,虚偶的另一位成员得到了负能量。这会使得黑洞净损失一些质能。霍金辐射的发射率与黑洞质量成反比;质量越小,发射率越大。这样,黑洞会越来越快地蒸发。在最后的0.1秒,超大的发射率可以类比于一个大爆炸[68]。

高能量宇宙线入射于地球大气层,造成了一阵持久的空中射丛  
高能量宇宙线入射于地球大气层,造成了一阵持久的空中射丛。

  宇宙线是遨游于太空的高能量粒子。物理学者曾经测量到能量高达3.0 × 1020 eV的粒子[69]。当这些粒子进入地球的大气层,与大气层的核子发生碰撞时,会创生一射丛的粒子,包括π介子[70]。渺子是一种轻子,是由π介子在高层大气衰变而产生的。在地球表面观测到的宇宙线,超过半数是渺子。半衰期为2.2微秒的渺子会因衰变而产生一个电子或正电子。

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( 发表人:电子大兵 )

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