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我們現在處于宇宙的哪個時代?

原創
2020-04-01  火星科普

哈勃紅移、宇宙3K背景輻射、宇宙元素豐度和星系演化等一系列獨立且有力的證據表明,宇宙有一個起源時間,大約在138億年前。最初的宇宙是一個熾熱致密的奇點,宇宙從奇點大爆炸中誕生,隨后不斷膨脹、冷卻和演化。

理論上,宇宙的演化進程可以劃分為六個階段或者說時代:暴脹時代、原始湯時代、等離子態時代、黑暗時代、恒星時代、暗能量時代。在數十億年前,宇宙進入了第六個時代——暗能量主宰的時代,這也可能是宇宙的最后一個時代。

一、暴脹時代

在宇宙誕生的最初時期,宇宙中不存在任何物質和輻射。那時的宇宙空間中充滿了一種固有能量,導致宇宙以指數方式急劇膨脹,在10^-33秒期間,空間大小膨脹了10^26倍,這個時代被稱為暴脹時代。

由于空間暴脹,使得宇宙變得十分平坦,空間曲率接近于零,并且使整個宇宙的溫度變得均勻。暴脹期間發生的量子漲落造成了宇宙溫度的細微差異,這為未來的宇宙形成龐大的宇宙網絡創造了條件。

宇宙經歷了短暫的暴脹之后,空間本身固有的能量都逐漸轉變成各種正反粒子和輻射,宇宙開始進入第二個時代。

二、原始湯時代

物質和輻射不斷從純能量中形成,膨脹的宇宙逐漸冷卻。當粒子之間發生碰撞時,它們會形成各種正反粒子對。

隨著宇宙的膨脹冷卻,宇宙中越來越難形成更大質量的正反粒子對,但正反粒子對的湮滅和其他粒子碰撞仍在繼續。在宇宙誕生大約1至3秒之后,由于宇宙中出現了一種違反重子數守恒的現象,反物質幾乎被湮滅殆盡,剩下的大部分都是正物質。

在宇宙誕生大約3至4分鐘之后,宇宙開始了太初核合成過程,形成了穩定的氘和氦原子核。其余大部分質子沒有發生核反應,它們也就成了氫原子核(氕原子核)。此后,宇宙中就剩下了原子核、電子、光子和中微子,宇宙呈現為等離子態。

三、等離子態時代

由于光子的數量僅為的數量原子核和電子數量的十億分之一,每當一個原子核與一個電子結合在一起時,它們產生的高能量光子就會原子核和電子分開,所以中性原子無法形成。直到宇宙大爆炸之后38萬年,宇宙的溫度從數十億度急劇冷卻到數千度之時,光子才會脫離耦合,中性原子才能最終形成。

在等離子態時代的開始階段,宇宙的能量主要由光子和中微子輻射主宰。到了末期,普通物質和暗物質主導了宇宙。

四、黑暗時代

雖然宇宙中形成了中性原子,但那時的宇宙還是黑暗的,并沒有像現在這樣有大量的恒星來照亮宇宙。宇宙中存在大量由氫和氦組成的宇宙塵埃,它們能夠有效阻擋可見光。

在宇宙大爆炸之后1億年,由于引力的作用,宇宙中的氣體云結合形成了恒星。恒星發出的光會使宇宙中的氫和氦等中性原子再次發生電離,演變成等離子態,宇宙開始變亮起來,這就是再電離時期。大約在宇宙形成之后5.5億年,經過充分再電離的宇宙結束了黑暗時代,宇宙中第一批星系團剛剛開始形成。

五、恒星時代

宇宙中的普通物質和暗物質占據主導作用,它們產生的引力誘導了大量的恒星、星系、星系團以及宇宙網絡結構的形成。恒星形成速率不斷加快,在宇宙形成之后30億年達到峰值。此后,由于大量恒星形成已經消耗了大量的自由氣體,恒星形成速率逐漸緩慢降低,直至低于恒星死亡速率。

隨著宇宙空間的持續膨脹,物質密度不斷下降,暗能量開始取代物質占據主導地位。在宇宙形成之后大約78億年,空間的膨脹速度停止減速,并轉而開始加速。加速的宇宙在我們身上。到了宇宙形成之后92億年,暗能量完全主宰了宇宙,這宣告宇宙進入了最后的時代。

六、暗能量時代

在暗能量排斥效應的作用下,宇宙中的大部分星系都被互相拉開。星系群和星系團能夠維持住結構,它們最終會在引力的作用下合并成一個星系。到了那時,遙遠的星系都在超光速退行,觀測者無論身在何處,所能看到的遙遠宇宙都是黑暗一片。

再經過漫長的時間之后,由于不斷輻射出引力波,行星的軌道會逐漸衰減,它們最終會落入母星之中。即使便是黑洞,最終也會因為霍金輻射而消失在宇宙中。

根據現有理論推測,由于空間不斷加速膨脹,最終的宇宙將會變得十分空曠,宇宙的有用能全部耗盡,熵增加到最大,整個宇宙陷于死寂之中。

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