宇宙诞生简史

大爆炸前的宇宙

大爆炸之前的宇宙是什么样子?通过广义相对论将宇宙的膨胀进行时间反演,可得出宇宙在过去有限的时间之前曾处于一个密度、温度、引力、时空曲率都无限大的状态。这一状态被称为奇点,奇点的存在意味已知的所有物理定律都无法适用,它常被用来作为广义相对论失效的证明。未来,超弦理论也许可以解释奇点、黑洞……

引力奇点与黑洞

 

宇宙大爆炸

宇宙起源与形成的最广泛的认知是距今138亿年前发生的大爆炸(Big Bang)。宇宙由一个密度极大、温度极高的太初状态(奇点)经过不断膨胀到达今天的状态。大爆炸学说的模型框架基于爱因斯坦的广义相对论。随着人类对于自身和宇宙起源的认知的不断完善大爆炸理论也在不断演变中。

宇宙膨胀的构想图

 

大爆炸之后的亿分之一秒

夸克时期

科学家们相信大爆炸后,第一秒的最早部分存有重夸克(Quark),那时宇宙处于温度及密度极高的状态,这被称为夸克时期。夸克时期是物理宇宙学的早期宇宙演化的一段时期,这时基本作用力的重力、电磁力、强作用力和弱作用力已经分离成为现在的形式,但温度仍然很高,不允许夸克结合在一起形成强子。

夸克时期

 

大爆炸之后的十万分之一秒

强子时期

强子时期(Hadron Epoch)开始于大爆炸后十万分之一秒,降温的宇宙中的夸克被束缚在一起成为强子。最初,温度仍高得足以让强子和反强子对形成,物质与反物质维持着热平衡。但是,宇宙的温度仍持续下降,强子和反强子对不再能产生,大部分的强子和反强子都在湮灭的反应中消除了,只有少部分的强子留存下来。在大爆炸后的一秒钟,反强子已经完全被清除掉,接下来就是轻子时期的开始。

强子时期

 

大爆炸后一秒

轻子时期

大爆炸之后的轻子时期(Lepton Epoch)发生于在多数的强子和反强子相互湮灭的强子时期的尾端(1秒)。轻子时期的宇宙温度仍然够高,足以生成轻子/反轻子对来维持热平衡。大爆炸10秒钟后,宇宙进入光子时期。

轻子时期

 

大爆炸后10秒至38万年

光子时期

光子时期(Photon)发生在大爆炸后10秒至38万年,原子核在这一时期开始产生,宇宙中充满了由原子核、电子、光子组成的等离子。在轻子时期结束时,大多数的轻子和反轻子已经湮灭,宇宙温度降至原子核与电子结合形成中性原子的临界点。此时宇宙的能量由光子主导,这些光子仍然频繁的与带电的质子、电子和原子核发生相互作用,并且持续了380000年。

光子时期

 

大爆炸后37.7万年

宇宙黑暗时代

在早期宇宙孕育出微波背景和中微子背景后,宇宙进入黑暗时代。尽管此时已有的光子具备可见频谱,但恒星尚未孕育,所以没有新光源,宇宙还是透明的。狭义上,宇宙黑暗时代结束于再电离时期,但是两个阶段是过渡的,并无明确分解。广义上,宇宙黑暗时代即是结构形成的时代,在大爆炸后 10亿年结束,现在的宇宙形态已初见端倪。

宇宙中的星系

 

大爆炸后1亿余年

第一个天体出现

早期宇宙的一系列复合、退耦,使得宇宙在紧随其后的黑暗时代,充满中性的氢气和氦气,及一些光原子。宇宙冷却(骤冷)和引力塌缩(强压),将分子云凝聚压缩成恒星,这标志着第一个天体的出现。天文学家在澳洲西部的默奇森电波天文观测站侦测到了已知最早的恒星讯号。这些恒星大约在宇宙大爆炸的1.8 亿年以后出现。

宇宙中第一颗恒星的艺术图

 

大爆炸后1.5亿年

再电离时期

再电离(Reionization)发生在大爆炸之后1.5亿年至10亿年间。进入黑暗时代后,宇宙冷却及引力塌缩,将分子云压缩成恒星。它们释放出紫外线光子,辐射轰击宇宙中的氢气,使其电离成质子和电子。再电离后,各种星系形成,包括我们所处的银河系。

再电离

 

氦再电离

重新组合后,宇宙中充满了中性的氢气和氦气,和一点其他光原子。最终,宇宙冷却到重力将气团聚集在一起,第一批恒星诞生。它们释放辐射光子使氢电离。因为氢在重组之前被电离过一次,所以这一次称为"再电离"。即便氢电离了,但是密度很低,所以光仍然可以自由移动。

氦再电离

 

约134亿年前

银河系(Galaxy)几乎与宇宙一样老,观测到银河系内最早的恒星年龄接近134亿年。它是包含太阳系的棒旋星系,直径介于10万光年到 18万光年。估计有1千亿至4千亿颗恒星,1千亿颗行星。

银河系全景图

 

约46亿年前

太阳系形成

太阳系(Solar System)是一个受太阳引力约束在一起的行星系统,其形成大约始于46亿年前一个巨型星际分子云的引力坍缩。法国天文学家拉普拉斯提出的星云说最早解释了太阳系的成因。他是最早推测到黑洞的存在和重力崩塌概念的科学家之一。康德的星云说是从哲学角度提出的,而拉普拉斯则从数学、力学角度充实了星云说,因此诞生的"康德和拉普拉斯星云说",成为最早的科学的天体演化学说。

太阳系形成

 

地球诞生

地球诞生于约45.4亿年前,并在42亿年前开始形成海洋。随后海洋中出现了生命,又逐步涉足地表和大气,并分化为好氧生物和厌氧生物。

地球的诞生

 

来源:百度网盘 | 提取码:sup5

 

作者:阿古
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来源:方舟(ark.ooo)
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