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摘要: 在广袤的空间和无限的时间中,能与你共享同一颗行星和同一段时光是我的荣幸。——卡尔


Malcolm Godwin



在广袤的空间和无限的时间中,能与你共享同一颗行星和同一段时光是我的荣幸。

——卡尔·萨根




如果时光能够倒流,让我们回到最初的那一刻。


138亿年前,宇宙刚刚诞生。那时候,宇宙中没有生命,没有行星,也没有恒星、星系、或星系团。在巨大和复杂的结构形成之前,宇宙自身首先经历了非常复杂的过程,制造出了一系列的拥有独特性质的原子。这些原子,是万物的基本构筑。它们与引力、电磁力和核力支撑着整个今天已知的宇宙。


随着时间的流逝,宇宙不断地膨胀,从一个致密、炽热的状态演变成如今我们所栖息的广漠、寒冷的宇宙。今天,宇宙中包含了数以万亿的星系,每个星系中又包含了数以千亿的恒星系统。这些恒星无论是类似我们太阳的系统,或者是像我们最近的邻居——半人马座阿尔法星,都有专属于它们的独特的行星和卫星,如果足够幸运的话,甚至还能够孕育出生命。


现代科学最伟大的成就是我们不仅可以理解整个宇宙由什么构成,同时还能知道它是如何演化成今天的样子。但对我们而言,138亿年太过漫长。为了更好的描绘宇宙的历史,让我们把它的一生压缩成地球上的一年。



Cosmos: A Spacetime Odyssey (2014)


一月(Jan)


宇宙从何而来?这是世界上最大的未解之谜,它是所有其它谜题的根源。一个最简单的答案或许就是宇宙起源于一个开端。但如果深入思考就会发现,这个答案假定了一个最重要的东西,那就是宇宙有一个开端。当前的天文观测都支持大爆炸理论,这是目前描述宇宙最好的宇宙学模型。有一些人则开始提出其他的可能性,他们认为,宇宙或许是从上一个宇宙的坍缩中反弹而生的,即所谓的大反弹理论。或许在很长的一段时间内都不会有终极的答案,但这并不阻碍我们继续探索、辩论。


○ 循环宇宙?| 图片来源:Claus Lunau


1



在元旦这天,宇宙度过了许多重要的时期。


就在宇宙诞生后的10^-43秒,宇宙进入了普朗克时期,当时的温度和压力是如此之高,以至于自然界中的四种基本力(引力、电磁力、弱核力和强核力)在那个时期并无区别,换句话说,如果我们能够创造出当时的环境,就能统一这四种基本力。很快,宇宙迎来了一场指数式的膨胀,称为暴胀时期。四种基本力在夸克时期(10^-12秒)已经完全分离成现在的形式,这是我们在大型强子对撞机(LHC)所能模拟的最早的环境。接着,就到了重子时期,夸克相互结合开始形成质子和中子,这发生在大爆炸的1秒钟之后。在大约10秒后,宇宙进入了光子时期,充满了原子核、电子和光子组成的等离子体。但是当时的温度太高,无法形成稳定的原子。



○ 宇宙最古老的光——微波背景辐射。| 图片来源:ESA


就这样,宇宙度过了大约38万年。紧接着,有趣的事情开始发生了,宇宙的温度已经降低到足以使电子和原子核结合形成稳定的中性氢原子和氦原子。这段时期被称为复合时期。自此,宇宙开始变得透明。光子终于可以自由的在空间中传播,形成了今天天文学家观测到的宇宙微波背景辐射(CMB)。通过CMB,天文学家破译了宇宙的年龄,揭示了宇宙的成分,为我们探索早期宇宙提供了无比珍贵的信息。



3



尽管光自由了,但接下来宇宙经历的时期被称为黑暗时期。在接下来的几百万年中,宇宙非常平静,充满了中性原子,大部分是氢气以及混合了一些氦气。这个过程一直持续,直到有足够的气体聚集在一起点燃了核聚变,形成了第一批恒星



○ 第一批恒星。| 图片来源:NASA


11



NASA的哈勃空间望远镜在这一天发现了迄今为止已知宇宙中最遥远的星系。这颗亮度惊人、大小只有银河系1/25的星系被称为GN-z11。


○ GN-z11。| 图片来源:NASA/ESA


18



天文学家发现了迄今为止最遥远的超大质量黑洞,它位于一个超级明亮的类星体 J1342 + 0928的中心。它的发现使天文学家倍感困惑,它究竟是如何形成的?为什么能在这么短的时间内形成如此巨大的黑洞


○ 最遥远的类星体。   | 图片来源:Jinyi Yang/Reidar Hahn/M.Newhouse



31



天文学家利用一系列望远镜发现了处于最初发展阶段的星系团,这也是在早期宇宙观测到的最遥远的原星系团。早期的原星系团非常罕有,并且极难定位。(星系团是由上百个单独的星系,在引力的作用下束缚在一起形成的。一个典型的星系团包含了50到1000个星系。银河系是室女座星系团的一员,该星系团包含了大约2000个星系。)



○ 最遥远的原星系团。| 图片来源:Subaru/ P. Capak (SSC/Caltech)


二月(Feb)


14



宇宙在不同的物理尺度上都呈现出了结构——从环绕行星的卫星,到跨越可观测宇宙大范围的超星系团、星系的薄片、纤维状结构和空洞。后者通常被称为宇宙中的“大尺度结构”。宇宙中的大尺度结构在情人节这天开始慢慢形成。



○ 大尺度结构。| 图片来源:NASA


三月(Mar)



11



2016年,NASA的钱德拉X-射线天文台及其他望远镜发现了最遥远的星系团——CL J1001+0220。该星系团最令人惊奇的是,其核心区域包含了11个大质量星系,其中9个正疯狂地产生着恒星,形成率相当于每年3000个太阳。



○ CL J1001+0220。| 图片来源:X-ray: NASA/CXC/CEA/T. Wang et al; Infrared: ESO/UltraVISTA; Radio: ESO/NAOJ/NRAO/ALMA

四月(Apr)



17



在天文书籍中,通常会把星系描述为壮丽的孤岛——一个闪烁着繁星的世界。但是星系也有动态的一面。在空间中,不期而遇的星系最终会合并成一个更加庞大的星系,触发恒星的诞生。星系的合并在过去更加的普遍,因为膨胀的宇宙更加的小。在宇宙诞生后的40亿年,有大量的大型螺旋星系合并形成椭圆星系。



○ 星系的合并。| 图片来源:NASA/ESA/A. Evans

六月(Jun)



3



恒星并不是亘古不变的闪烁着光芒,它们自诞生以来就注定了灭亡。在这一天,第一批类似太阳的恒星耗尽了自身的燃料,在一场烟花般的行星状星云中结束自己的生命。


○ 行星状星云是宇宙中最耀眼的演出| 图片来源:ESA/Hubble & NASA, ESO, Ivan Bojicic, David Frew, Quentin Parker


从1月3日第一批恒星诞生起,它们就不断地经历着演化-灭亡-诞生-演化-灭亡......


恒星的注定毁灭听起来像是个悲伤的故事,但却是至关重要的,它们是重元素的工厂。我们血液中的铁,骨头中的钙,肌肉中的碳和肺里的氧,所有的这些都是在恒星的内部中制造出来的。因此可以说,我们都是星尘。回顾整个宇宙的历史长河,正是有数十亿恒星的馈赠才有了今天的我们。



○ 鹰星云中的“创生之柱”包含了大量的气体和尘埃,是恒星的诞生之所| 图片来源:NASA


九月(Sep)



3



这一天,迎来了重要的一刻。我们的太阳原行星盘诞生了!圆盘中的气体和碎石逐渐凝聚成行星,小行星等等。这其中一员便是我们的星球——地球。地球在诞生之初并没有现在的宁静,它饱受撞击。



○ 太阳和原行星盘| 图片来源: NASA/FUSE/Lynette Cook


4



在所有撞击地球的天体中,有一颗火星大小的天体,被称为Theia。科学家认为这次撞击残留的碎片形成了月球。但科学家对月球样本的化学分析中,并没有发现任何微量Theia的成分。因此有科学家认为月球或许是通过一系列的撞击产生的,而非一次巨大的撞击。



○ 月球是在连续地撞击中诞生的吗?| 图片来源:R. RUFU ET AL



13



这一天,暗能量迎来了历史性的一刻,它开始统治宇宙:物质的密度低于暗能量的密度(真空能),因此空间的膨胀开始加速。尽管如此,我们对暗能量的真实面目依然一无所知,它是现代物理学最大的一朵乌云之一。



○ 宇宙正在加速膨胀| 图片来源: Coldcreation



21



有证据表明,地球上的生命大约诞生于这一天。我们依旧不知道生命起源于何处,或许它来自外太空的陨石。生命是如何起源的?这个问题一直是科学中最基本的大问题之一,无论是化学家、生物学家、地理学家、或是天文学家都希望能找出答案。虽然目前有许多理论试图解释,但没有一个具有说服力。



○ 生命是如何起源于地球上的?生命在宇宙中是普遍的吗?还有许多的问题等待着我们去揭开。| 图片来源: W. H. Schlesinger


十月(Oct)



12



火星一直是科学家所热衷的研究对象,也是伊隆·马斯克征服外太空的首选目标。在这一天,火星失去了磁核,这意味着它失去了保护屏障。很快,它的大气层就被太阳风剥离,才演变成今天我们所看到的红色星球。



○ 或许在不就的将来,我们就能踏上火星这片土地。| 图片来源:NATIONAL GEOGRAPHIC 


十一月(Nov)



9



在11月9号这天,地球上的生命开始呼吸、移动、进食,并对周遭环境做出反应。多亏了这些开拓性的微生物。它们还发明了繁殖



○ 海洋中包含了大量的微生物。| 图片来源:Istockphoto


十二月(Dec)



17



寒武纪大爆发,绝大多数的动物“门”都在这一时期出现。海洋中的生命开始蓬勃发展,形形色色的大型动物和植物开始爆炸式的发展。



○ 寒武纪大爆发。| 图片来源:https://www.youtube.com/watch?v=e6Df-_ZceVk



28



森林、恐龙、鸟类、昆虫,都在12月的最后一周进化而来。地球上的第一朵花,盛开在28日。


○ 第一朵花可能长这样。| 图片来源:Nature



30



6:25AM:最后一次大灭绝事件发生,小行星撞击尤卡坦半岛,导致了希克苏鲁伯陨石坑的形成,作为地球上曾经的霸主——恐龙,因此彻底地被毁灭了。这颗小行星改变了一切,如果不是它,恐龙或许还在,而我们却未必了。



○ 恐龙灭绝。| 图片来源:MARK GARLICK, SCIENCE SOURCE


31



在漫长的历史中,人类出现在最后一天的最后一个小时。我们曾经是流浪者,是猎人,是采集者,我们制作工具、生火、捕食。直到11:59:46PM,人类发明了书写方法来记录事物,所有能被记载的历史都发生在最后的14秒内。统治者、战争、发明和爱情……历史书中记录的一切都发生在宇宙年历中的最后这几秒。


○ 踏足太空只是人类征服太空的第一步| 图片来源:NASA


11:59:59PM:在最后一秒中,我们使用科学的方法,去探索大自然的奥秘和规则。从伽利略的望远镜第一次指向太空,到人类第一次在月球上留下足迹。科学让我们越过空间和时间的限制,去观测我们在宇宙时空中的位置。科学使我们有了理解宇宙本质的方法,在黑暗之中探索光明。正如卡尔萨根所说的:“科学,照亮黑暗的蜡烛。


参考来源:

[1] Cosmos: A Spacetime Odyssey

[2] https://medium.com/starts-with-a-bang/all-the-universe-in-one-year-6288cc26e72


本文转载自公众号“原理(ID:principia1687)”


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