宇宙组成

I. 可观测宇宙 (Observable Universe)

A. 宏观结构 (Large-Scale Structure)

1. 超星系团 (Superclusters)

• 定义: 引力束缚的最大结构，包含多个星系团。
  • 例子: 本地超星系团 (Local Supercluster/Virgo Supercluster)， Shapley 超星系团
  • 形成: 重子声学振荡 (BAO) 后的引力坍缩
  • 观测手段: 红移巡天 (Redshift Surveys), 星系计数

    2. 星系团 (Galaxy Clusters)

• 定义: 数十到数千个星系组成的引力束缚系统。
  • 例子: 后发座星系团 (Coma Cluster), 室女座星系团 (Virgo Cluster)
  • 特征: 高温星系团内介质 (ICM), 暗物质占比高
  • 观测手段: X射线观测 (ICM), 光学观测 (星系分布), 引力透镜效应

    3. 星系群 (Galaxy Groups)

• 定义: 比星系团小的星系集合，通常包含几个到几十个星系。
  • 例子: 本星系群 (Local Group)
  • 特征: 星系间相互作用频繁，星系合并常见。
  • 观测手段: 光学观测, 电波观测 (中性氢)

    4. 宇宙长城 (Cosmic Filaments)

• 定义: 连接星系团和超星系团的巨大丝状结构。
  • 特征: 星系密度高于宇宙平均水平，但低于星系团和超星系团。
  • 形成: 引力作用下的物质聚集
  • 观测手段: 红移巡天

    5. 宇宙空洞 (Cosmic Voids)

• 定义: 星系密度极低的巨大区域。
  • 特征: 几乎没有星系，主要由暗能量主导。
  • 形成: 重子声学振荡后的物质排斥
  • 观测手段: 红移巡天

B. 星系 (Galaxies)

1. 椭圆星系 (Elliptical Galaxies)

• 特征: 呈椭圆形，恒星年龄普遍较大，气体和尘埃含量低。
  • 恒星形成率: 低
  • 例子: M87
  • 种类: E0-E7 (按扁率分级)

    2. 旋涡星系 (Spiral Galaxies)

• 特征: 具有旋臂结构，恒星年龄差异较大，气体和尘埃含量高。
  • 恒星形成率: 较高
  • 例子: 银河系 (Milky Way), 仙女座星系 (Andromeda Galaxy)
  • 种类: Sa, Sb, Sc (按旋臂松散程度分级)
  • 子类型: 棒旋星系 (Barred Spiral Galaxies)

    3. 不规则星系 (Irregular Galaxies)

• 特征: 没有明显的形状特征，气体和尘埃含量高，恒星形成活跃。
  • 恒星形成率: 极高
  • 例子: 大麦哲伦星云 (Large Magellanic Cloud), 小麦哲伦星云 (Small Magellanic Cloud)

    4. 透镜星系 (Lenticular Galaxies)

• 特征: 介于椭圆星系和旋涡星系之间，具有盘状结构，但缺乏旋臂。
  • 恒星形成率: 低
  • 例子: NGC 5866

    5. 星系中心 (Galactic Center)

• 超大质量黑洞 (SMBH): 所有大型星系的中心都存在，例如银河系的人马座 A (Sagittarius A)
  • 星系核 (AGN): 活跃星系核，由SMBH吸积物质产生。
  • 星暴星系 (Starburst Galaxies): 恒星形成率极高的星系。

C. 恒星 (Stars)

1. 恒星类型 (Stellar Types)

• 主序星 (Main Sequence Stars): 氢聚变成氦，根据质量和温度分类 (O, B, A, F, G, K, M)
  • 红巨星 (Red Giants): 氢燃料耗尽后的演化阶段
  • 超巨星 (Supergiants): 大质量恒星的演化阶段
  • 白矮星 (White Dwarfs): 恒星演化的最终阶段
  • 中子星 (Neutron Stars): 超新星爆发后的残骸
  • 黑洞 (Black Holes): 引力极强的天体，光也无法逃脱

    2. 恒星形成 (Star Formation)

• 分子云 (Molecular Clouds): 恒星形成的场所
  • 原恒星 (Protostars): 恒星形成的早期阶段
  • 赫比格-哈罗天体 (Herbig-Haro Objects): 年轻恒星喷射出的物质

    3. 恒星演化 (Stellar Evolution)

• 赫罗图 (H-R Diagram): 恒星光度和温度的关系图
  • 主序星阶段 (Main Sequence Phase): 恒星寿命的主要阶段
  • 红巨星阶段 (Red Giant Phase): 氢燃料耗尽后的演化阶段
  • 超新星爆发 (Supernova): 大质量恒星死亡时的爆发
  • 行星状星云 (Planetary Nebula): 恒星演化的最后阶段，抛射物质形成的气体云

D. 星际介质 (Interstellar Medium - ISM)

1. 组成 (Composition)

• 气体 (Gas): 中性氢 (HI), 分子氢 (H2), 氦气 (He)
  • 尘埃 (Dust): 由硅酸盐、碳等元素组成
  • 宇宙射线 (Cosmic Rays): 高能粒子

    2. 相 (Phases)

• 冷中性介质 (CNM): 低温高密度
  • 温中性介质 (WNM): 较高温度较低密度
  • 热电离介质 (HIM): 高温低密度

    3. 重要性 (Importance)

• 恒星形成的原料
  • 星系演化的重要组成部分
  • 吸收和散射星光

E. 行星系统 (Planetary Systems)

1. 太阳系 (Solar System)

• 行星 (Planets): 八大行星 (水星, 金星, 地球, 火星, 木星, 土星, 天王星, 海王星)
  • 矮行星 (Dwarf Planets): 冥王星 (Pluto), 谷神星 (Ceres), 阋神星 (Eris), 鸟神星 (Makemake), 哈乌美亚 (Haumea)
  • 小行星 (Asteroids): 小行星带
  • 彗星 (Comets): 柯伊伯带, 奥尔特云
  • 卫星 (Moons): 地球的月球, 木星的卫星, 土星的卫星

    2. 系外行星 (Exoplanets)

• 探测方法: 径向速度法, 凌星法, 直接成像法
  • 热木星 (Hot Jupiters): 靠近恒星的巨行星
  • 超级地球 (Super-Earths): 比地球大但比海王星小的行星
  • 宜居带 (Habitable Zone): 液态水可能存在的区域

II. 未知宇宙 (Unseen Universe)

A. 暗物质 (Dark Matter)

1. 定义 (Definition)

• 不与电磁波相互作用的物质，无法直接观测。

  2. 证据 (Evidence)

• 星系旋转曲线 (Galaxy Rotation Curves)
  • 星系团引力透镜效应 (Gravitational Lensing)
  • 宇宙微波背景辐射 (CMB)
  • 大尺度结构形成 (Large-Scale Structure Formation)

    3. 候选者 (Candidates)

• WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles)
  • Axions
  • MACHOs (Massive Compact Halo Objects)
  • Neutrinos (中微子)

    4. 影响 (Impact)

• 星系形成和演化的关键因素
  • 宇宙结构形成的必要条件

B. 暗能量 (Dark Energy)

1. 定义 (Definition)

• 加速宇宙膨胀的未知能量。

  2. 证据 (Evidence)

• 宇宙加速膨胀 (Accelerating Expansion of the Universe)
  • 宇宙微波背景辐射 (CMB)
  • 超新星观测 (Supernova Observations)

    3. 理论 (Theories)

• 宇宙学常数 (Cosmological Constant)
  • Quintessence (第五元素)
  • Modified Gravity (修正引力理论)

    4. 影响 (Impact)

• 决定宇宙的最终命运
  • 影响宇宙的膨胀速率

III. 基本粒子 (Fundamental Particles)

A. 标准模型 (Standard Model)

1. 费米子 (Fermions)

• 夸克 (Quarks): 上夸克 (Up), 下夸克 (Down), 粲夸克 (Charm), 奇异夸克 (Strange), 顶夸克 (Top), 底夸克 (Bottom)
  • 轻子 (Leptons): 电子 (Electron), 缪子 (Muon), 陶子 (Tau), 电子中微子 (Electron Neutrino), 缪子中微子 (Muon Neutrino), 陶子中微子 (Tau Neutrino)

    2. 玻色子 (Bosons)

• 规范玻色子 (Gauge Bosons): 光子 (Photon), 胶子 (Gluon), W玻色子, Z玻色子
  • 希格斯玻色子 (Higgs Boson): 赋予粒子质量

    3. 相互作用力 (Fundamental Forces)

• 强相互作用 (Strong Force): 夸克之间的相互作用，传递者为胶子。
  • 弱相互作用 (Weak Force): 负责放射性衰变，传递者为 W 和 Z 玻色子。
  • 电磁相互作用 (Electromagnetic Force): 带电粒子之间的相互作用，传递者为光子。
  • 引力 (Gravity): 所有物体之间的相互作用，尚未找到传递引力的粒子 (引力子 Graviton)。

IV. 早期宇宙 (Early Universe)

A. 大爆炸 (Big Bang)

1. 奇点 (Singularity)

• 宇宙的初始状态，密度和温度无限高。

  2. 宇宙膨胀 (Expansion of the Universe)

• 大爆炸后，宇宙迅速膨胀。

  3. 宇宙微波背景辐射 (CMB)

• 大爆炸的余晖，宇宙中最古老的光。

B. 暴胀 (Inflation)

1. 定义 (Definition)

• 大爆炸后极短时间内宇宙的超光速膨胀。

  2. 证据 (Evidence)

• 宇宙的平坦性 (Flatness Problem)
  • 宇宙的均匀性 (Horizon Problem)
  • 磁单极子问题 (Monopole Problem)

C. 核合成 (Nucleosynthesis)

1. 原始核合成 (Big Bang Nucleosynthesis - BBN)

• 大爆炸后几分钟内，形成了氢、氦和少量锂。

V. 数学基础 (Mathematical Foundation)

A. 广义相对论 (General Relativity)

1. 时空 (Spacetime)

• 空间和时间的统一体

  2. 引力 (Gravity)

• 时空的弯曲

B. 量子力学 (Quantum Mechanics)

1. 量子化 (Quantization)

• 能量、动量等物理量只能取离散值。

  2. 不确定性原理 (Uncertainty Principle)

• 位置和动量不能同时精确测量。

C. 宇宙学原理 (Cosmological Principle)

1. 均匀性 (Homogeneity)

• 在足够大的尺度上，宇宙的性质在各个位置相同。

  2. 各向同性 (Isotropy)

• 在足够大的尺度上，从任何一个位置观察，宇宙的性质在各个方向相同。