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• 恒星形成率高;
• 重元素比例较低。
今天有许多星系可以与银河系相提并论，但与今天看到的星系相比，类似于银河系的年轻星系本质上更小、更蓝、更混乱、气体更丰富。对于第一个星系来说，这种影响是极端的。在我们能观察到的宇宙中，星系遵循这些规则。
看看早期的宇宙
但是，当我们在宇宙中看得越来越远，看向越来越早的时代时，这种逐渐变化的图景突然开始迅速变化。当我们观察目前大约 190 亿光年的地方时，我们对应于宇宙大爆炸后仅 30 亿年;我们将看到宇宙中恒星形成的速度已经达到最大值，大约是今天新恒星形成速度的 20 到 30 倍。此时，大量的超大质量黑洞处于活跃状态，由于周围物质的消耗，会释放出大量的粒子和辐射。
在过去的 110 亿年左右的时间里，宇宙的演化一直在放缓。当然，引力继续使宇宙的结构崩溃，但暗能量开始对抗它，并在 60 亿年前主导了宇宙的膨胀。新的恒星继续形成，但恒星形成的高峰已经是遥远的过去。超大质量黑洞继续增长，但“最亮”的时代早已过去。现在有更多的黑洞比以前更暗淡且不活跃。
这
费米太空望远镜团队重建了宇宙的恒星形成历史，并将其与文献中其他替代方法的数据点进行了比较。天文学家通过许多不同的测量获得了一致的结果，费米望远镜的数据代表了迄今为止这段历史中最准确、最全面的部分。
随着我们远离地球，越来越接近宇宙大爆炸开始时所定义的“边缘”，我们开始看到更戏剧性的变化。190 亿光年的距离对应于宇宙只有 30 亿年的时间，这是恒星形成的高峰期，当时宇宙中可能存在 0.3% 到 0.5% 的重元素。
当我们靠近 270 亿光年的距离时，宇宙的相应年龄只有 10 亿年。此时的恒星结构要小得多，因为新恒星形成的速度大约是它们后期峰值的四分之一。由重元素组成的常规物质的比例急剧下降：在 10 亿年时降至 0.1%，在大约 5 亿年时仅降至 0.01%。在这样一个早期的环境中，岩石行星可能无法形成。
在这个距离上，不仅宇宙微波背景辐射会更强烈——它应该在红外波段而不是微波波段——而且宇宙中的每个星系都应该是年轻的，并且充满了年轻的恒星;椭圆星系可能没有在这么小的年龄出现在宇宙中。
宇宙历史示意图，强调再电离时期。在恒星或星系形成之前，宇宙中充满了中性原子，这些原子遮蔽了光线。虽然宇宙的大部分直到 5.5 亿年后才被再电离，但少数区域在很大程度上更早地被再电离。
试图比这更早地看到宇宙确实在挑战人类所能做的极限，但凯克望远镜、斯皮策太空望远镜和哈勃太空望远镜等已经开始将我们带到那里。一旦我们到达大约 290 亿光年或更远的距离——相当于 7 亿到 8 亿年的宇宙年龄——我们就开始进入宇宙的第一个“边缘”：透明边缘。
今天，我们理所当然地认为这个空间对可见光是透明的，但这只是因为它没有充满遮光物质，例如灰尘或中性气体。但在早期，在足够多的恒星形成之前，宇宙中充满了中性气体，这些气体并没有被恒星的紫外线辐射完全电离。结果，我们看到的很多光都被这些中性原子遮挡了，只有当足够多的恒星形成时，宇宙才会完全电离。
这就是为什么红外望远镜（如 NASA 的詹姆斯韦伯太空望远镜）对研究早期宇宙至关重要的部分原因。在这样的望远镜的帮助下，我们可以看到熟悉波长的“边缘”。
随着我们对宇宙的探索越来越深，我们在太空中看到的越来越远，我们可以越来越早地追溯时间。詹姆斯·韦伯太空望远镜将带我们直接进入当前观测设备无法比拟的宇宙深处，展现出哈勃太空望远镜看不到的超遥远星光。
在 310 亿光年的距离上，相当于大爆炸后的 5.5 亿年，我们到达了所谓的再电离边缘：在这里，宇宙的大部分对可见光几乎是透明的。再电离是一个渐进的过程，并不均匀;在许多方面，它就像一堵参差不齐、满洞的墙。在一些地方，再电离发生得更早，正是由此，哈勃太空望远镜发现了迄今为止最遥远的星系——320 亿光年之外，就在大爆炸后 4.07 亿年。但其他地区保持部分中性，直到近 10 亿年后才完全电离。
宇宙会坍缩成一个奇点吗？
如果答案是肯定的，那么宇宙可能正处于一个永无止境的大反弹周期中;在这个周期中，所有物质都通过大爆炸从一个奇点出现，然后是一次大挤压，再次吞噬所有物质，并将其恢复到宇宙最初诞生时无与伦比的致密状态。宇宙不断重复着大爆炸和大挤压的过程。
然而，这些理论从未真正从数学上解决宇宙是否处于循环中的问题。换句话说，宇宙可能只有一个开始和一个结束。然而，最近，一群理论物理学家使用所谓的弦理论来试图解决早期宇宙的这些基本谜题。他们的发现可能会促使我们从头开始构建宇宙，从而支持宇宙是重复的理论。
如果你想建立自己的宇宙理论模型，请随意发挥你的想象力。没有人可以阻止你创造你自己的宇宙观。但是，如果你想更多地了解宇宙的形成，你必须遵循一定的规则。这意味着，无论你的宇宙模型包含什么，你都将不得不面对一些冰冷的、难以观察的证据。
例如，我们知道我们生活在一个不断膨胀的宇宙中，星系和恒星正在以越来越快的速度从地球上飞走。通过各种先进技术，科学家可以计算出星系在离我们不同距离处移动的速度。我们也已经有了宇宙早期的图像，大约在宇宙大爆炸后 380,000 年。宇宙的年龄现在约为 138 亿年，当时宇宙仍处于“婴儿期”阶段。
在上一张宇宙早期的图像中，我们看到了一些有趣的模式。图像中的微小斑点和斑块揭示了年轻宇宙中温度和压力的微小差异。
我们可以用大爆炸宇宙学以及所谓的膨胀理论来解释所有这些观察结果。科学家们认为，膨胀过程发生在宇宙诞生前不到一秒。在这个过程中，宇宙本身只持续了很短的时间，突然变得非常大，微小的量子涨落被放大到宇宙尺度。这些量子涨落会随着时间的推移而增加，因为稍密集的斑块具有稍强的引力，使它们更大。随着时间的推移，这些量子涨落已经变得足够大，以至于在宇宙的幼年图像中以斑点的形式留下印记（数十亿年后，有恒星和星系之类的东西，但那是另一回事了）。
S 膜节省一切
在过去的几年里，火宇宙理论的支持者试图与膨胀理论所解释的观察结果相匹配。在最近的一次尝试中，为了克服这些障碍并使火宇宙理论至少在某种程度上受到尊重，一个研究小组使用了 S-brane。
您应该听说过弦理论，这是理论物理学的一个分支，结合了量子力学和广义相对论。在弦理论的宇宙中，每个粒子都是一根微小的、振动的弦。几年前，理论物理学家意识到弦不一定是一维的。他们称多维字符串为 “brane”。
大爆炸和宇宙膨胀的插图。至于宇宙的最终结果，弦理论可能会为我们提供线索
至于“S 膜”，弦理论中的大多数膜可以在时空中自由漫游，但假设的 S 膜只能在非常特定的条件下瞬间存在。
在火宇宙的这个新理论设想中，当宇宙处于最小、最密集的状态时，S 膜出现，导致一个充满物质和辐射的宇宙再次膨胀（大爆炸），同时，温度和压力的微小变化（导致宇宙早期图像中众所周知的斑点）。这是加拿大麦吉尔大学物理系的三位物理学家提出的新想法。他们的研究结果已于 7 月发表在预印本网站 arXiv 上，尚未经过同行评审。
这种观点正确吗？目前尚不清楚。近年来，弦论的基础似乎非常薄弱，因为在大型强子对撞机上进行的实验一直无法找到任何关于超对称理论的线索，而超对称理论是弦论的关键基础。另一方面，S 膜的概念本身在弦理论圈子里是有争议的，因为研究人员并不确切地知道在任何给定时刻是否允许膜存在。
还有一个事实是，正如我们所知，宇宙不仅在膨胀，而且在加速膨胀，没有迹象表明它会很快减慢（更不用说崩溃了）。弄清楚是什么导致宇宙“刹车和转身”仍然很棘手。
尽管如此，火宇宙理论（和其他理论）的观点还是值得探索的，因为宇宙的最初时刻提出了现代物理学中一些最令人困惑和最具挑战性的问题。
超出观察范围的边缘
尽管如此，天文学家认为，除了我们用现有仪器所能观察到的极限之外，一定还有其他恒星和星系。在迄今发现的最遥远的星系中可以找到证据，证明前几代恒星曾活跃在这些星系中，而且它们已经相当明亮和巨大。除了目前望远镜所能观察到的范围之外，还可以测量恒星形成的间接迹象，包括氢原子本身发出的光。这个过程只发生在恒星形成过程中，当氢原子被电离时，自由电子与电离的原子核重新结合，并释放出光。
图像中的巨大“凹陷”是 Et al. （2018） 的一项新研究的直接结果，该研究显示了宇宙在 1.8 亿至 2.6 亿年之间发出的 21 厘米红移信号。天文学家认为，这对应于宇宙中第一波恒星和星系的发射。
目前，我们只能通过早期恒星形成的这个间接特征推测，年轻的星系存在于大爆炸后的 1.8 亿到 2.6 亿年之间。这些原始星系形成了足够的恒星，让我们可以在数据中看到它们存在的最初迹象，相当于 340 亿到 360 亿光年之间的距离。尽管目前的望远镜无法直接观测到这些星系，但许多天文学家认为詹姆斯·韦伯望远镜可以完成这项工作。
当然，可能仍然存在光源——以及宇宙中的第一个电离区域——可以追溯到更久以前。如果我们能看到这个距离，最早的恒星将在 380 亿到 400 亿光年之间，相当于大爆炸后的 5000 万到 1 亿年。
在此之前，宇宙是完全黑暗的，充满了中性原子和大爆炸的辐射余辉。
早期宇宙的过密区域会随着时间的推移而增长，但它们的增长受到以下事实的限制：它们最初更小，而且仍然存在高能辐射阻止结构更快增长。形成第一颗恒星需要数亿到数亿年，但在此之前，物质团块已经存在。
再往前追溯几年，还有其他一些 “界限” 值得注意。在 440 亿光年之外，大爆炸的辐射非常热，肉眼可以看到;如果有一双人眼，你可以看到辐射开始发出红光，类似于炽热的表面。这相当于大爆炸后 300 万年的时间段。
如果我们相距 454 亿光年，我们将处于大爆炸后 380,000 年的某个时间点。此时的温度如此之高，以至于不可能稳定地保持中性原子。这就是大爆炸的余辉——宇宙微波背景 （CMB） 的来源。普朗克卫星拍摄的那张著名的热点（红色）和冷点（蓝色）图像向我们揭示了这种辐射的来源。
在那之前，在 460 亿光年之外，我们正处于一切的开始：大爆炸的超高能状态。此时，宇宙的第一个原子核、质子和中子诞生了，甚至产生了第一个稳定形式的物质。在这个阶段，所有物质都只能被描述为宇宙的“原始汤”，即存在的每一个粒子和反粒子都可以由纯粹的能量创造出来。
宇宙大爆炸的余辉——宇宙微波背景——并不均匀，有微小的缺陷和几百微开尔文的温度波动。这种不均匀性在引力增长之后发挥了重要作用，但重要的是要记住，早期宇宙和今天的大尺度宇宙仅在不到 0.01% 的水平上是不均匀的。普朗克卫星在检测和测量这些波动方面比以往任何时候都更加准确。
然而，这种高能量的原始汤之外隐藏着什么仍然是一个谜。尽管许多关于宇宙膨胀的预测已经得到间接证实，但天文学家没有直接证据证明在这些最早阶段实际发生了什么。宇宙的边缘对人类来说是独一无二的;我们可以在 138 亿年前看到宇宙的各个方向，这取决于观察者的时空位置。
这
宇宙有很多边，包括透明边、恒星和星系的边、中性原子的边以及大爆炸时形成的宇宙视界的边。我们可以用望远镜尽可能远地观察，但总会有一个基本限制。尽管空间本身是无限的，但大爆炸之后的时间却不是。无论我们未来能看到多远的宇宙，总会有一个我们永远看不到过去的“边缘”。 |
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发表于 2024-11-7 23:32:40
