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2013 年 2 月 14 日


太陽系的前世今生 (45):黑暗時期 (Dark ages)

提供者 : 陳輝樺 (NMNS )  

說明 :  在前幾天我們介紹大霹靂造就了時間 (time) 、空間 (space) 的起源 ,在大霹靂發生至 10-43 秒之間存有極高溫狀態的普朗克時期 (Planck epoch),從 10-43 秒開始持續到 10-36 秒之間的大一統時期 (Grand unification epoch),從大霹靂之後的 10-36開始持續到 10-33 之間能夠使 基礎粒子 獲得 質量  (mass) 的希格斯機制Higgs mechanism)促使宇宙的最早期階段由基本粒子 輕子、夸克、介子、重子等粒子與反粒子和輻射充斥整個時空, 呈現出宇宙初期的渾沌膨脹 (chaotic inflation) 狀態,在大霹靂之後的 10-36開始持續到 10-12 之間伴隨著這些基本粒子產生的 電弱交互作用力主導的時期 (Electroweak epoch), 從大霹靂之後的 10-12開始持續到 10-6 之間的 夸克時期 (Quark epoch), 從大霹靂之後的 10-6開始持續到 1 秒之間的 強子時期 (Hadron epoch),從大霹靂之後的 1 秒開始持續到 10 秒之間的 輕子時期 (lepton epoch) ,從大霹靂之後的 10 秒開始持續到 38 萬年之間的 光子時期 (photon epoch), 從大霹靂之後的 3 分鐘開始持續到 20 分鐘之間進行的 太初核融合 (Big Bang nucleosynthesis),大霹靂之後 7 萬年間由原子 (atoms) 組成分子 (molecule) 所構成的 物質主導時期 ,大霹靂之後 37 萬 7 千年間帶電的電子和質子在宇宙中首度結合成電中性氫原子 (electrically neutral hydrogen atoms) 呈現的 復合時期 。 
   
            在 光子退藕 (photon decoupling)發生之前,多數的光子 (photons) 、 電子 (electrons) 和 質子 (protons) 會在密集呈電漿態 (hot dense plasma)中交互作用,造成的結果是呈現宇宙霧狀不透明。雖然有光的存在,但是不容易被觀測到。當宇宙的溫度冷到活力充沛的中性氫可以形成, 大量的自由電子和質子被束縛於原子中呈現中性氫原子 (electrically neutral hydrogen atoms) ,進而光子在宇宙中不與物質交互作用的自由路徑 (mean free path) 變長後,就構成我們今日所觀測到的宇宙微波背景輻射 (cosmic microwave background radiation)。宇宙變成透明,但在這時只有中性氫自旋21 公分波長輻射,使得觀測上仿如黑暗狀況。 依據量子物理的 包立不相容原理 , 氫原子基態 (ground state)上的兩個電子不會具有相同的 能階 (energy levels),如上圖所示意。 當電子和原子核內的質子具相反的旋轉方向時,產生了方向相同的磁場, 此時能階較高; 若電子和原子核內的質子具相同的旋轉方向時,產生了方向相反的磁場, 如下圖左側的示意,此時能階較另一者低。 所以,當有機會時,電子會從較高能階基態跳躍至較低能階基態,則會釋出 21 公分 波長的 無線電波 譜線。 21 公分波長無線電波譜線的偵測,可以讓天文物理學者瞭解星際間中性氫原子雲氣 (HI) 的分佈。

明日主題 : 太陽系的前世今生 (46):大尺度結構
天文史上的今天 : 1917 年 2 月 14 日,美國數學家赫伯特•豪普特曼 (Herbert A. Hauptman,1917.2.14.-) 出生。他因開發了應用 X 光 散射技術 (Scattering techniques) 確定物質晶體結構,與猶太裔美國物理化學家傑爾姆•卡爾 (Jerome Karle,1918.6.18.─)共同榮獲 1985 年的諾貝爾化學獎。  
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    主編 : 陳輝樺                 
         諮詢服務 : 陳輝樺 或 (NMNS 國立自然科學博物館)
                        蘇明俊 (樹德科技大學  休閒事業管理系)

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