宇宙形成的前20分钟

宇宙年代学，或宇宙年表依据大爆炸之宇宙论描述宇宙的历史和未来，目前的宇宙如何由普朗克时期随着时间演化的科学模式，使用宇宙的共动坐标系时间参数。宇宙膨胀的模型即是所知的大爆炸，在2015年，估计开始于137.99 ±0.21亿年前。为了方便，将宇宙的演化分成三个阶段。在第一阶段，最早的宇宙是炙热、充满活力，那里即使有粒子存在或可能存在，也只是短暂的。根据目前的科学理论，我们现在周围看见的各种不同的力，在这个时候是结合在一起的统一力。在暴胀时期的无限能量过程中涉及时空本身膨胀。巨大的能量逐渐降温 －与我们现在在周围各处看到的温度相比是不可思议的热，但力仍能够经由对称性破缺一个一个的分离出来，从一种力再释放出另一种力，原本凝聚的力反复的分离，最终从电弱力分离出强力和第一个颗粒。在第二阶段，宇宙进一步冷却生成夸克-胶子等离子体，当前我们知道的基本力经由更多的对称性破缺逐渐生成，尤其是电弱对称性破缺 －和我们今天看到我们周围复杂复合分子的完整范围变得可能，导致重力主导的宇宙、第一批的中性原子（～80%是氢）和今天我们检测到的宇宙微波背景辐射。现代的高能粒子物理理论已经能满足这些能量的水准，所以物理学家相信对这一部分和后续再我们周围发展的宇宙，基本上已经有很好的理解。由于这些变化，在这个阶段结束时，空间对光和电磁能量来说不再是模糊不清，而是已经透明了。在短暂的黑暗之后，第三阶段开始，宇宙大尺度的稳定结构出现。目前我们所知的基本粒子和力，如最早的恒星、类星体、星系、星系团和超星系团发展出来，创造出我们今天看到的宇宙。一些研究着声称所有的这些物理结构发展要超过数十亿年的时间，并称之为“宇宙演变”。其它的，多个交叉的学门，研究人员是从大爆炸到人类出现作为整个场景，使"宇宙演变"更趋复杂。到目前为止，纳入生物学和文化，用更统一与跨领域的观点看待宇宙，是至今最复杂的系统。对于未来，科学家预测大约在10亿年后地球将不再能支援生命，50亿年后将笼罩在极度膨胀的太阳之下。在更长的时间尺度，当恒星最终步入死亡而少有新的恒星诞生来取代它们。布满恒星时期将结束，并通往一个黑暗的宇宙。各种理论建议了一些后续的可能性：如果粒子，像是质子不是稳定的，最终可能蒸发进入更低的能量状态，像是一种热死亡的熵。或者宇宙可能崩溃成为大挤压，然而目前的资料显示宇宙扩张的速度还在继续增加。如果这是正确的，宇宙最终可能随着物质和能量的日渐稀薄，可能会以大冰冻结束。替代的建议还包括虚真空激变和大撕裂使宇宙结束。关于极早期宇宙（天体演化学）的所有想法都是纯理论的推测。目前的加速器还不足以提供足够的规模，进行任何实验来洞察在此能量水准期间的粒子行为，判断何著占了上风，而研议中的方案完全不同。一些例子是哈特-霍金初始状态、弦论地景、宇宙暴胀、弦气宇宙观（string gas cosmology）、和火劫宇宙论。其中一些是相容的，但和其它的却不相容。普朗克时期在传统的大爆炸理论是温度非常高的时期（不是暴胀），所以四种基本力（电磁力、万有引力、弱核力、和强核力）还都统合成一种基本力。现今的物理学对这种温度下的物理所知甚少，存在着各种不同的理论。传统的大爆炸理论建立在广义相对论下，预测在此之前是引力奇点；但在量子效应下预测奇点会消失。在暴胀宇宙学，在暴胀结束之前（大约在大爆炸之后10−32秒）并不遵守传统的大爆炸时间线。当宇宙膨胀和冷却时，各种力在温度转换的过程中逐一分离出来。这种相变非常像凝结和冰冻。大一统时期开始于重力从其它自然力，这些自然力统称为规范场力。在这个时期，非重力物理学所描述的大统一理论（GUT，grand unified theory ）。当大统一理论力分离出强力和电弱力时，大一统时期宣告结束。依据传统的大爆炸宇宙学，电弱时期开始于大爆炸之后10−36，当宇宙的温度够低时（1028K），强力从电弱力（电磁力和弱相互作用力合在一起的名称）中分离出来。在暴胀宇宙学，当暴胀时期开始时，电弱时期结束，时间大约是10−32秒。暴胀宇宙是宇宙在一个虚拟的称为暴胀子下加速膨胀的时期，它的性质类似于希格斯玻色子和暗能量。当膨胀速度降低时，会使宇宙的混屯增加，而快速地膨胀会使宇宙更为均质。即使宇宙在暴胀之前是高度无序的状态，足够长的暴胀期间可以解释今天在大尺度上观测到的高度同质性。暴胀时期于暴胀场在被称为"再热"过程中衰变成普通的粒子时结束，这时宇宙开始一般性的大爆炸彭胀。再热通常在大爆炸之后的一段时间被引述。这在传统的宇宙论（非暴胀）是指在大爆炸奇点和宇宙温度再热到产生相同温度的时间，即使在暴胀宇宙论已经发生，但在传统大爆炸理论并没有发生。依据最简单的暴胀模型，暴胀大约在温度对应于时间的10−32秒时结束。如上文的解释，这并不意味着暴胀时期的持续少于10−32秒。事实上，为了解释安测到的宇宙均匀性，持续时间必需长于10−32秒。在暴胀宇宙论，"大爆炸之后"最早的意思是暴胀结束的时间。在2014年3月17日，BICEP2的天文物理学家共同宣布在B-模组功率谱检测到暴胀引力波，这被解释为宇宙暴胀的明确实验证据。然而，在2014年6月9日，报导确认是发现宇宙膨胀证据的信心降低。最后，在2015年2月2日，综合普朗克卫星和BICEP2/Keck的资料分析，认为在统计学上的意义太低，不足以解释为为原始的B-模组，但可以归因于在银河系中极化的灰尘。目前没有足够的观测证据来解释为什么宇宙包含的重子比反重子多。为了解释这种现象，必须允许在宇宙暴胀结束后的某一段时间能够满足萨哈罗夫条件。虽然粒子物理学表明在不对称下能满足这些条件，但是以经验为根据的观测显示不对称太小，以致不能满足宇宙中重子-反重子的不对称性。在宇宙暴胀结束之后，宇宙充满了夸克-胶子等离子体。从此刻开始，早期宇宙的物理被了解的较多，而猜测的成分减少。如果超对称性是我们宇宙的属性，那么它在能量低于1TeV的电弱对称尺度下时就必须被打破。质点的质量和它的超伴子质量不再是相等的，这可以解释为何从未观测到任何已知粒子的超伴子。由于宇宙的温度低于非常高的特定高能量水准，它被相信希格斯场会自发地获得真空期望值，其中被破坏的电弱规范对称性产生了两个相关的影响：在这个时期的结束，引力、电磁力、强相互作用、和弱相互作用的基本相互作用已经呈现出现在的形态。但是，宇宙的温度仍然太高，夸克依然不能束缚在一起形成强子。组成宇宙的夸克-胶子等离子体继续冷却，直到重子，包括质子和中子的强子可以形成。这个时间大约在大爆炸后1秒钟，中微子退耦开始可以在太空中自由的穿越。因为中微子的能量非常低，这类似于在那很久以后发出的宇宙微波背景的宇宙中微子背景迄今未曾被观测到（见上文关于夸克-胶子等离子体，与下文的弦论时期）。然而，从大爆炸核合成预测的氦丰度和宇宙微波背景中的各向异性两者都是强烈的直接证据，证明宇宙中微子背景的存在。在强子时期结束前，大多数的强子和反强子互相湮灭，留下轻子和反轻子主导宇宙的质量。大约在大爆炸之后10秒钟，宇宙的温度降低到新的轻子/反轻子对不再被创造，而大多数的轻子和反轻子也在湮灭反映中被消除，只留下少量残余的轻子。在轻子时期结束时，大多数的轻子和反轻子已经湮灭之后，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（最终的）核发生相互作用，并且持续到后续的380,000年。宇宙的温度在光子时期下降至原子核开始可以形成。质子（氢原子核）和中子开始进行核聚变结合成更大的原子核。自由的中子和质子形成氘，氘再迅速融合成氦-4。因为宇宙的温度与密度下降到了核聚变无法继续的程度，核合成只持续了大约17分钟。这个时候，所有的中子都已经纳入氦原子核。留下的氢原子核质量3倍于氦原子核，和微量的其它的轻原子核。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）在密度上是相等的。金斯长度，所确定可以形成的最小结构（由于引力和压力之间竞争的影响），的数值开始下降并且扰动，但不是被自由流辐射消灭，而是在振幅上可以增长。根据ΛCDM，冷暗物质在这个阶段占主导地位，铺平了引力坍缩来放大宇宙暴胀留下的微小不均匀性，使稠密的地方更稠密，稀薄的地方更稀薄。然而，因为目前的理论对暗物质的本质均未确定，它起源于更早的何时期也没有共识，只被视为现存的重子物质。氢和氦原子开始形成时，宇宙的密度继续降低。这一次被认为是发生在大爆炸之后的377,000年。氢和氦开始时是在电离状态，也就是没有电子被束缚在原子核（带有正电荷的质子），因此别带有电核（分别是 +1和 +2）。当宇宙的温度持续冷却，电子被离子捕获，形成中性原子。这个过程相对来说是快速的（氦核比氢核快），被称为复合。在复合结束后，宇宙中大部分的质子成为捆绑成为中性原子。因此，光子有效的平均自由路径几乎成为无限，光子现在可以在宇宙中通行无阻（请参阅汤姆孙散射）：宇宙变得透明。这个宇宙事件通常被称为 退耦。出现在退耦时间的光子与我们在宇宙微波背景辐射（CMB），经过宇宙膨胀大幅冷却之后的光子，是相同的光子。在相同的时间，存在于电子-重子等离子体内的压力波 － 称为重子声学振荡 － 当物质凝结时它被嵌入内部分布着，引起略为倾向于大型物件的分配。因此，宇宙微波背景辐射图片中包括的微小波动是在暴胀期间结束时生成的（看图），在宇宙中展开的物件，像是星系，规模的相对值，随着整个宇宙发展的大小和时间推移。生命的化学可能在大爆炸之后不久就开始了，138亿年前，适居时代的宇宙年龄只有1000至1700万年。在退耦发生之前，宇宙中多数的光子都与电子和质子在光子-重子液中进行相互作用，其结果是宇宙是不透明或处在“大雾”之中。虽然有光，但不能通过望远镜看见。在宇宙中的重子物质包括电离的等离子体，只有当它获得自由电子“复合”成中性，这才释放出光子创造了宇宙微波背景辐射（CMB）。当光子被释放（或退耦时），宇宙就变得透明。此时，唯一的辐射是中性氢的电子自旋释出的21公分氢线。这是目前低频电波阵列（LOFAR，Low-Frequency Array for Radio astronomy）努力进行检测的微弱辐射，原则上这会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。目前认为黑暗时期从大爆炸之后的1亿5000万年持续到8亿年。在2010年10月发现的UDFy-38135539是第一个被发现存在于再电离时期的星系，给了我们这个时期的视窗。观测到这个目前所知最早和最遥远星系的是荷兰莱顿大学的Richard J. Bouwens和Garth D. Illingsworth从UC天文台/利克天文台的纪录中筛选出来的。他们发现UDFj-39546284这个星系出现在在大爆炸之后4亿8000万年，距离是132亿光年，贯穿了宇宙的黑暗时期。最近发现的星系，UDFj-39546284，出现在大爆炸之后3亿8000万年，距离是133.7亿光年。大爆炸模型中的结构显示出层级的进行，小的结构比大的结构先形成。早期的活跃星系、第三星族星和类星体是最先形成的结构，而类星体被认为是最明亮的。在这个时期之前，宇宙的演化可以透过线性宇宙的摄动理论来理解：那就是，所有的结构都可以被理解为完美、均匀宇宙中的小偏离；这是可计算和相对容易学习的。从这一点上，非线性结构开始习形成，在计算问题上变得较为困难，例如，涉及数十亿粒子的多体类比。最初的恒星和类星体在重力坍缩下形成。它们发出强烈的辐射使周围的宇宙再电离。从这一点，宇宙大部分的成分是等离子体。第一批恒星，最有可能是第三星族星，是大爆炸之后将轻的元素（氢、氦和锂）形成更重元素的过程。然而，目前尚未观测到第三星族的恒星，但是了解它们是目前模型的形成和演化的计算基础。幸运的是，宇宙微波背景辐射的观测可以应用到恒星真正开始形成的日期。根据2015年2月BBC的新闻报导，欧洲空间局普朗克望远镜的资料分析，总结第一代恒星在大爆炸之后约5亿6000万年开始照耀 。大量的物质坍缩形成星系。在这个过程的初期形成第二星族星，第一星族星在这之后才形成。Johannes Schedler的专案确认了类星体CFHQS 1641+3755的距离是127亿光年之遥，当时的宇宙年龄只有现在7%。在2007年7月11日，巴塞迪纳加州理学院的Richard Ellis和他的团队使用毛纳基山的10米凯克望远镜发现6个形成中的星系，距离大约132亿光年，它们大 约是在宇宙只有5亿年时创造出来的，目前所知的非常早期的天体大约只有10个。更多最近的观测显示这些年龄要比以前估计的更短，2013年10月曾经报导观测到最远的星系距离是131亿光年。哈勃超深空显示有大量的小星系合并成大星系，在130亿光年，当时宇宙的年龄只有现在的5%。This age estimate is now believed to be slightly shorter.建立在新兴的核纪年法科学，估计银河系的薄盘形成于88±17亿年前。星系的引力彼此拉扯形成星系群、星系团、和超星系团。太阳系大约于46亿年前，或在大爆炸之后90亿年开始形成。由氢和其它微量元素构成的分子云的一个片段开始崩塌，形成以太阳为中心的大球体和其周围的盘面。周围的吸积盘凝聚形成行星，众多的小行星、彗星等更小的天体。太阳是晚期形成的恒星，包含与使用了前几代恒星产生的物质。估计大爆炸发生在138亿年前。由于宇宙的膨胀似乎正在加速，它的大尺度结构可能是存在于宇宙中最大的结构。目前的加速膨胀阻止了任何更大的结构进入膨胀的视界（范围），并阻止新的受到引力约束的结构形成。如同解释非常早期的宇宙发生了什么事，基本物理学必须在确定任何可能的宇宙最终命运之前有所进展。下面是一些主要的可能性：在超过10亿年的时间尺度上，地球和太阳系会不再稳定。预测地球现有的生物圈大约在10亿年后会消失，随着太阳的热能逐渐增加至某一个点，液态水和生命存在的可能性不大；地球的磁场、轴向倾斜和大气受到长期的变化；和太阳系本身超过百万年和十亿年尺度的的混沌。最终，在从现在开始的54亿年左右，太阳的核心将热得足以在它周围的外壳触发氢聚变反应。这将导致恒星的外层急遽膨胀，恒星将进入被称为红巨星的另一个阶段。在75亿年内，太阳的半径将膨胀至1.2天文单位 －目前大小的256倍，并且在2008年的研究还宣称，由于地球和太阳之间的的潮汐相互作用，地球将落入更低的轨道。尽管太阳已经失去38%的质量，在太阳达到其最大之前，地球会被吞没入太阳的内部。太阳本身将继续存在数十亿年，经过数个阶段，在最后结局成为长寿的白矮星。最终，再经过数十亿年，太阳将完全停止闪耀，成为黑矮星 。这种情况只有在暗能量的密度随着时间推移无限制的增加下才有可能。这种暗能量有别于任何已知种类的能量，被称为幻影能量。在这种情况下，宇宙的膨胀率将无限制的增加。重力约束下的系统，像是星系团、星系，最后连太阳系都会被撕裂。最终，将克服电磁力，使原子和分子都会一起迅速扩大。最后将撕裂原子核，而我们所知道的宇宙也将以一种不寻常的引力奇点结束。届时，宇宙将膨胀至无穷大，因此任何和所有将物体聚集在一起（无论如何接近）的力量总合（无论质量有多大）都无法克服扩张的膨胀率，任何物体都将完全被撕裂。如果暗能量的能量密度是负值，或宇宙是封闭的，宇宙的膨胀可能会逆转，宇宙会收缩转为炙热的密集状态。对振荡宇宙的场景，像是循环模型，这是一个必须的元素；虽然大挤压并不一定意味着振荡的宇宙。目前的观测显示这种模式可能是不正确的，因为宇宙不只还在膨胀，甚至还在加速中。一般认为这种情况是最有可能的，它的发生是以宇宙再继续膨胀为依据。在时间1014年或更短的尺度上，现有恒星的核燃料都将消耗殆尽，恒星停止创建，宇宙将是一片漆黑, §IID.。在比这个时代之后更长的时间尺度上，星系会像恒星残骸的组成一样，蒸发逃逸入太空，黑洞也会通过霍金辐射蒸发, §III, §IVG.。在一些大统一理论，质子衰变至少要1034年，剩下的星际气体和恒星残留物将转换成为光子和轻子（例如电子和正电子），一些电子和正电子将重组成为光子, §IV, §VF.。在这种情况下，宇宙已经达到高熵状态，沐浴在低能量的辐射和粒子间。不过不知道最终是否将达到热力学平衡 , §VIB, VID.。估计在10古高尔年—101000年，热寂是宇宙最可能的最后状态，它已经“运转”到没有热力学的自由能量来维持运动或活动状态。在物理学术语中，它的熵已经达到最大（正因为如此，“熵”经常与热寂混淆，在这点上，熵被标志为杀害宇宙的力量）。热寂的假说源于19世纪50年代的思想家威廉·汤姆孙（开尔文勋爵）。 他从热力学机械能量自然损失的看法推测出这个理论，以热力学最基础的两个定律来具体的运作宇宙。如果我们的宇宙是在一个非常长寿的假真空，它可能只是隧穿进入较低能量状态的一小部分（参见气泡成核）。如果发生这种状况，所有的结构将在瞬间内摧毁，并且该区域将以接近光速扩大，在没有任何预先的警告下就造成毁灭性的破坏。