早期宇宙年谱

宇宙年表 宇宙年表是依据大爆炸宇宙学描述宇宙的历史和未来，是宇宙如何应运而生和随着时间推移发展的主要科学模型，使用共动座标宇宙论的时间参数。 中文名 宇宙年表 外文名 Chronology of the Universe 依据 大爆炸宇宙学 内容 宇宙的历史和未来 类别 一种科学模型 宇宙年表 宇宙由奇点开始快速膨胀的瞬间即被称为大爆炸。在2011年，最好的估计是这个膨胀开始于137亿年前。 为了方便说明宇宙演化，依据其间的鸿沟，可以分成三个阶段。最早的宇宙是炙热与充满能量的，那时也没有也不可能有粒子存在 (在意义上或许只是很短暂的)，而且今天我们所看见围绕在我们周围的各种力也都被认为是合并成一种力。空间的自身膨胀因为包含了浩瀚的能量而形成暴胀。浩瀚的能量逐渐冷却，但温度依然比我们今天所看到的高了许多，不过已足够让力逐渐经历对称性破缺，从一种力再释放出另一种力，原本凝聚的力反复的分离，最终导致强力、电弱力和第一颗粒子的生成。 在早期宇宙第二阶段看到的是比较上又冷了些的夸克-胶子等离子体，我们知道通过进一步的对称性破缺，尤其是电弱对称破缺，通过这种形式，几乎我们今天所能看见的各种复杂的复合粒子、第一批中性原子 (几乎都是氢) 和宇宙微波背景辐射)都已经产生了，物质开始主导宇宙。近代的高能粒子物理理论，在这个等级的能量上，已经令人很满意，所以理论物理学家相信我们已经很好的理解我们周围的宇宙在这个阶段和后续的基本发展。由于这些变化，在这个阶段结束时，空间对光和其它的电磁能量已经是很透明，而不再是大雾了。 第三阶段的开始，是我们已经了解和目睹的各种宇宙基本粒子和力量，例如最早出现的恒星、类星体、星系、星系团和超星系团，这些证实了我们今天所看见宇宙大尺度结构的创造和稳定发展。 非常早期的宇宙 关于极早期宇宙的所有想法 (宇宙观) 都是纯理论的推测 (或许有些带点投机)。目前还没有加速器拥有足够的能量规模，可以提供任何实验来洞察在此期间普遍存在于各级能量的行为和问题。研拟的方案可能截然不同，下面是一些例子：哈德利-霍金初始状态、弦论、跨模暴胀、弦气宇宙论、和火劫宇宙论。其中有些是相容并蓄的，有些则不是。 普朗克时期 从大爆炸开始至  秒 在传统上的大爆炸宇宙论，普朗克时期是一个温度非常高的时期 (非暴胀)，它的温度高到足以让四种基本力 － 电磁力、引力、弱核力和强核力 － 都统合成一种基本力。各种不同方案提出的理论，对这种温度下的物理所知甚少。传统的大爆炸宇宙论预测在此之前是引力奇点，但是这种论述是建立在广义相对论上的说法，预期将会受到量子效应的挑战而破灭。物理学家寄望量子引力，像是弦论、圈量子引力论和因果论，最终将能更好的诠释这个时期。 在暴胀宇宙论，暴胀结束前的时间 (大约在大爆炸之后  秒) 并不遵循传统的大爆炸时间轴。暴胀结束前的宇宙是极度的接近真空，有着非常低的真空温度，并且存在得比  秒更长。暴胀结束的时间是依据非暴胀大爆炸模型的时间基础，不是宇宙在当时的实际年龄，而这在暴胀宇宙论中是无法测量的。因此，在暴胀宇宙论中没有传统大爆炸理论所谓的普朗克时期，但有一个类似的前暴胀时期的宇宙存在着相似的条件。 大一统时期 从大爆炸之后  秒至  秒 当宇宙膨胀和冷却时，各种力跨越转换中的温度彼此分离出来，这很像是冷凝和冻结的相变。大一统时期开始于引力从其它自然力中的分离，它们统称为规范场力。这个时期是非引力物理所描述的大统一理论 (GUT)。大一统时期结束于规范场力进一步分离出强作用力和电弱力。这种转变应该产生大量的磁单极，但它们未被观测到。磁单极的缺乏是引进暴胀所解决掉的一个问题。 在现代的暴胀宇宙学，大一统时期就像普朗克时期一样是不存在的，但是类似的条件可能存在于暴胀之前的宇宙中。 电弱时期 从大爆炸之后  秒至1  秒 在传统的大爆炸理论，电弱时期开始于大爆炸之后10秒，当时的宇宙温度 (  K) 已经低到强力可以与电弱力 (电磁力和弱作用力结合成一种力的名称) 分离。在暴胀宇宙学，电弱时期开始于暴胀时期的结束，大约是在  秒。 暴胀时期 从大爆炸之后  秒至  秒 宇宙暴胀发生的时间和温度都不是很确定的知道。但是目前一般的理论认为在暴胀的阶段，宇宙的尺度膨胀了  左右。由于这个巨大的膨胀，在暴胀阶段结束之后，宇宙的空间曲率变成平坦的。之后宇宙进入均质和各向同性膨胀的阶段。量子扰动是形成我们今天所观测到的结构的根本。例如微波背景辐射的各向异性，它的起源就是暴胀时期的量子扰动，在暴胀时被拉出了宇宙的视界，然后又在现在重新进入视界被我们观测到。理论计算给出，这些扰动的功率谱是标度不变的。这已经被我们对微波背景辐射的功率谱的实验观测所证实，成为对暴胀的一个有力支持。随着快速的扩张，有些能量形成光子，变成虚夸克和超子，但这些粒子衰变得很快。有些理论建议在宇宙暴胀之前，宇宙是冰冷且空无一物的，而巨大的热和能量通过在大爆炸早期的相变中被创造出来，并导致暴胀的结束。 再加热 当再加热时，暴胀不再以指数的形式进行并且成为暴胀子的位能，场衰变成为热能，与相对论性等离子体的粒子。如果大一统是我们宇宙的特征，则宇宙暴胀应该是在大一统之前或之后，对称是残破的，否则磁单极将出现在可见的宇宙中。在这个时间点上，宇宙是由辐射控制的，夸克、电子和中微子的形式。 重子产生过程 目前还没有足够的观测证据可以解释为何宇宙中的重子会比反重子多。为了能解释这样的比值，Sakharov情况必须在暴胀之后的某个期间出现。当考虑到这样的情景时，在粒子物理学的实验中观察这种现象，但观测到的非对称性太小，以致不能满足宇宙中观测到的非对称性。 早期的宇宙 在宇宙暴胀结束之后，宇宙中充满了夸克-胶子等离子体。从这点向前，早期宇宙的物理被了解的较多，猜测的成份也比较少。 超对称的破坏 如果超对称是我们宇宙的产物，当能量低于1TeV的电弱对称尺度时，它将受到破坏。微粒的质量和它们的超伴子不再是相等的，这可以解释为何已知的超伴子微粒未能被观测到。  宇宙的历史 夸克时期 在大爆炸之后  秒至  秒 当电弱对称被破坏时，电弱时期就结束了。所有的基本粒子应该通过希格斯机制获取大量的希格斯玻色子得到质量，并得到真空期望值。基础相互作用力的引力、电磁力、强核力和弱核力都形成现在的形式，但是宇宙的温度还是太高，以至于不允许夸克束缚在一起形成强子。 强子时期 在大爆炸之后  秒至1秒 组成宇宙的夸克-胶子电将继续冷却，直到包括质子、中子的强子可以形成。大约在大爆炸之后的1秒钟，中微子分离出来并且可以在太空中自由通行。这种宇宙中微子背景辐射类似于以后发散出来的宇宙微波背景辐射，目前还不能仔细的观察（参考上面关于在弦论时期中的夸克-胶子等离子体。）。 轻子时期 在大爆炸之后1秒至10秒钟 在强子时期的末期，多数的强子和反强子互相湮灭，留下的轻子和反轻子成为控制宇宙的主要质量。大约在大爆炸之后的10秒钟，宇宙的温度冷却到轻子/反轻子对不再能创造出来，并且多数的轻子和反轻子在湮灭反应中被消灭掉，只留下少量残余的轻子。 光子时期 在大爆炸之后10秒钟至380,000年 在多数的轻子和反轻子湮灭之际的轻子时期结尾，宇宙的能量是由光子控制的。这些光子频繁的和带电的质子、电子和可能存在的少量核子进行相互作用，并且持续进行到300,000年。 核合成 在大爆炸之后3分钟至20分钟 在光子时期，宇宙的温度下降至原子核可以开始形成的温度。质子（氢离子）和中子开始进行结合成原子核的核聚变程序。但是核合成的时间只有短短的17分钟，之后宇宙温度和密度的下降使核聚变不能再持续的进行。这时氢核的质量数大约是氦核的三倍，其它的原子核只有微量。 物质主导：70,000年 在这个时期，非相对论性的物质 (原子核) 与相对论性的辐射 (光子) 密度相等。 金斯长度，确定能够构成的最小结构 (由于引力吸引和压力的影响互相竞争)，开始形成和造成扰动，而不是被自由流的辐射消灭，可以开始有成长的幅度。 根据ΛCDM，在现阶段，冷暗物质主导下，使引力坍塌造成的宇宙不均匀性在宇宙膨胀的过程中被放大，使稠密地区更稠密度而稀薄的地区更稀薄。但是，现今的理论对暗物质的本质还没有定论，对目前存在的重子物直是否起源于更早的时期也还没有共识下。 复合：377,000年 氢和氦的原子开始形成时，宇宙的密度也在下降。这个时间被认为发生在大爆炸之后的377,000年，氢和氦再度游离，也就是原子核不再束缚住电子，因此核带有电量 (各自带有+1或+2)。当宇宙的温度降低，电子会再度被离子捕获，使电性中和。这个过程相对来说是快速的 (实际上氦核的速度比氢核快)，也就是所谓的复合。当复合结束时，宇宙中的原子几乎都是中性的，因此光子可以自由的移动：宇宙也变得清澈透明了。光子辐射的光在复合之后.能不受阻碍的通行并且成为我们看见的宇宙微波背景辐射。因此宇宙微波背景 (CMB) 是这个时期的结束。  黑暗时期(Dark ages) 在退耦发生之前，多数的光子会和电子和质子在光子-重子液中发生相互作用，造成的结果是宇宙不透明或是"雾状"。虽然有光线，但是没有光线可以抵达望远镜。在宇宙中的重子物质包括电离的等离子体，它只能在和自由电子"再结合"的期间成为中性，进而释放出创造宇宙微波背景辐射的光子。当光子被释放(或是退耦)，宇宙变成透明，但在这时只有中性氢自旋的21厘米波长的辐射。这是目前观测上努力进行检测的微弱辐射，原则上这是一种更强大的工具，能研究比微波背景辐射更早期的宇宙。 结构形成 大爆炸模型中的结构是层层节制的，具有较小的结构会在较大的结构之前先形成。最早形成的结构是类星体，它们被认为是明亮的、早期的活跃星系，和第三星族星。在这个时期之前，宇宙的发展可以通过线性宇宙论的摄动理论来了解：也就是说，所有的结构都可以理解为是一个完美、均质宇宙的小变化，这是通过计算相对来说较容易的研究。非线性的结构从这个点上开始形成，计算上的问题就变得更加困难，包括，例如，数十亿颗粒子的多体模拟。 再电离：从1亿5000万年至10亿年 参见：再电离及21厘米线 第一批类星体是从引力坍缩形成的，它们发出的强烈辐射使周围的宇宙再电离。从这个时间点开始，宇宙的大部份都由等离子体组成。  远古时期的星系 恒星的形成 参见：恒星形成 恒星形成是分子云的高密度区崩溃成为球形的等离子体形成恒星的过程。作为天文物理的一个分支，恒星形成的研究包括作为前导的星际物质和巨分子云，到恒星形成过程，早期型恒星和行星形成则是直接的成果。恒星形成的理论，不仅是一颗单独恒星的形成，还必须统计联星和初始质量函数。  哈勃的影像显示一个在附近形成的婴儿星系 星系的形成 参见：星系的形成和演化 星系是如何形成的，依然是天文物理学中最活跃的一个研究领域，并且继续延伸至星系演化的领域，而有些观念与看法已经被广泛的接受。从宇宙微波背景辐射的观测已经证实，在大爆炸之后，宇宙有一段时间是非常同质性的，其间的起伏低于十万分之一。今天最能被接受的观点是原始扰动的成长形成今天我们所观察到的所有结构，原始扰动诱发局部地区气体的物质密度增加，形成星团和恒星。这种模型的一种结果是在早期宇宙的一些地区因为有较高一点的密度而形形成了星系， 因此星系的诞生与早期宇宙的物理息息相关。 星系群、星系团与超星系团的形成:25亿年前 参见：大尺度结构 大尺度结构在物理宇宙学中是描述可观测宇宙在大范围内（典型的尺度是十亿光年）质量和光的分布特征。巡天和各种不同电磁波辐射波长的调查和描绘，特别是21厘米辐射，获得了许多宇宙结构的内容和特性。结构的组织看起来是跟随着等级制度的模型，以超星系团和纤维状结构的尺度为最上层，再大的似乎就没有连续的结构了，这所指的就是伟大的结局现象。 太阳系的形成:46亿年前 参见：太阳系的形成与演化 一个原行星盘的艺术想像图 太阳系的形成和演化始于46亿年前一片巨大分子云中一小块的引力坍缩。大多坍缩的质量集中在中心，形成了太阳，其余部分摊平并形成了一个原行星盘，继而形成了行星、卫星、陨星和其他小型的太阳系天体系统。 这被称为星云假说的广泛接受模型，最早是由18世纪的伊曼纽·斯威登堡、伊曼努尔·康德和皮埃尔-西蒙·拉普拉斯提出。其随后的发展与天文学、物理学、地质学和行星学等多种科学领域相互交织。自1950年代太空时代降临，以及1990年代太阳系外行星的发现，此模型在解释新发现的过程中受到挑战又被进一步完善化。 从形成开始至今，太阳系经历了相当大的变化。有很多卫星由环绕其母星气体与尘埃组成的星盘中形成，其他的卫星据信是俘获而来，或者来自于巨大的碰撞（地球的卫星月球属此情况）。天体间的碰撞至今都持续发生，并为太阳系演化的中心。行星的位置经常迁移，某些行星间已经彼此易位。[1]这种行星迁移现在被认为对太阳系早期演化起负担起绝大部分的作用。 就如同太阳和行星的出生一样，它们最终将灭亡。大约50亿年后，太阳会冷却并向外膨胀超过现在的直径很多倍（成为一个红巨星），抛去它的外层成为行星状星云，并留下被称为白矮星的恒星尸骸。在遥远的未来，太阳的环绕行星会逐渐被经过的恒星的引力卷走。它们中的一些会被毁掉，另一些则会被抛向星际间的太空。最终，数万亿年之后，太阳终将会独自一个，不再有其它天体在太阳系轨道上。