宇宙已进入最后一个阶段暗能量时代，最终结局的开始

　　从大爆炸之前到今天，宇宙经历了许多时代，暗能量或预示着是 最后一个。
　　图片来源：NASA/WMAP科学团队
　　从大爆炸到现在，在不断膨胀的宇宙背景下，暗能量是我们的宇宙历史的一个例证。尽管有许多人主张宇宙起源于奇点，但我们目前还是无法确定的。但是，我们却可以根据宇宙在那个特定时期的性质，将我们看到的插图分解成不同的时代，即现在的我们已经进入了宇宙的第六个也是最后的一个时代。
　　从宇宙膨胀到原始粒子，再到膨胀、冷却，宇宙在我们的宇宙史上经历了许多重要的阶段。然而，大约60亿年前，一种新的能量形式开始主宰宇宙的膨胀：暗能量 ，它现在决定了我们的宇宙命运。而我们所处的时代，也叫暗能量主导宇宙膨胀的时代，是我们宇宙将经历的最后一个时代，这就是为什么我们已经经历了最终结局的开始。宇宙膨胀、大爆炸
　　据我们所知；今天的宇宙与昨天不一样了，随着每一刻的流逝，都会发生一些微妙但重要的变化，即使其中许多变化在可测量的人类时间尺度上是无法察觉的。然而宇宙正在膨胀，这也意味着最大的宇宙结构之间的距离随着时间而增加。
　　例如；一秒钟前，宇宙稍微小一些；再过一秒钟，宇宙将稍微变大。但这些微妙的变化都是在巨大的宇宙时间尺度上形成的，并且影响的不仅仅是距离，因为随着宇宙膨胀，辐射、物质、中微子和暗能量的相对重要性都会发生变化。宇宙的温度在变化，你在天空看到的东西也会发生巨大的变化。总而言之，我们可以把宇宙分成六个不同的时代，而我们已经生活在最后一个时代。
　　图片来源：E.西格尔
　　随着宇宙体积的增大，物质（正常和黑暗）和辐射密度降低，而暗能量以及膨胀期间的场能是空间本身固有的一种能量形式。随着新空间在膨胀的宇宙中被创造，暗能量密度保持不变。
　　其原因我们可以通过上图来理解：我们宇宙中存在的一切事物都有一定数量的能量：物质、辐射、暗能量等。随着宇宙的膨胀，这些形式的能量所占的体积会发生变化，并且每种形式的能量密度都会有不同的演变。特别是，如果我们通过变量a定义可观测视界，那么：物质的能量密度将演变为1/a3，因为（对于物质而言）密度只是质量与体积之比，质量可以通过E=mc2很容易地转化为能量。辐射的能量密度将演变为1/a4，因为（对于辐射而言）数密度是粒子数除以体积，每个光子的能量随着宇宙膨胀而拉伸，相对于物质增加了1/a的额外因子。暗能量是空间本身的一种属性，因此它的能量密度保持不变（1/a0），与宇宙的膨胀或体积无关。
　　图片来源：NASA/CXC/M.Weiss
　　膨胀宇宙的可视历史包括热稠密状态，即大爆炸 ，以及随后结构的生长和形成。全套数据，包括对轻元素和宇宙微波背景的观测，只留下大爆炸作为我们所看到一切的有效解释。当宇宙膨胀时，它也会冷却，使离子、中性原子最终形成分子、气团、恒星，最后形成星系。
　　因此，一个存在时间更长的宇宙，将会膨胀得更多。如未来天气可能会更凉爽，因为它过去可能更热；或者过去它的引力更为均匀，现在则更为笨拙；又或者它在过去可能很小，将来则会大得多。宇宙物理应用
　　如果我们通过将物理定律应用于宇宙，并将可能的解释与我们获得的观测和测量结果进行比较，我们可以确定我们来自何处以及我们将走向何方。我们甚至可以推断我们的历史可以追溯到热大爆炸的开始，或者更早，一个宇宙膨胀的时期。我们也可以将我们当前的宇宙推断到遥远的未来，并预见等待一切存在的最终命运。
　　图片来源：妮可·拉格·富勒/国家科学基金会
　　其实我们的整个宇宙历史在理论上都很容易被理解，但这仅仅是因为我们理解了它背后的引力理论，同时也因为我们知道宇宙目前的膨胀率和能量组成，光将始终在这个不断膨胀的宇宙中传播，我们将继续在遥远的未来任意地接收光，但它将在到达我们的时间上受到限制。我们将需要探测到更弱的亮度和更长的波长，以继续看到目前可见的物体，但这些是技术上的限制，而不是物理上的限制。 宇宙六时代
　　当我们根据宇宙的行为划出分界线时，我们发现将要经历六个不同的时代。能量 膨胀 时代 ：它先于并建立了大爆炸。 原始汤时代 ：从炽热的大爆炸开始，直到早期宇宙中发生最终的变革型核与粒子相互作用。 等离子体时代 ：从非散射核和粒子相互作用结束，直到宇宙冷却到足以稳定形成中性物质。 黑暗时代时代 ：从中性物质的形成到第一批恒星和星系完全重新电离宇宙的星系间介质。 恒星时代 ：从再电离结束到重力驱动的大尺度结构的形成和生长停止，此时暗能量密度支配着物质密度。 暗能量时代 ：我们宇宙的最后阶段，膨胀加速，分离的物体以不可逆转的速度彼此分离。
　　数十亿年前，我们已经进入了这最后一个时代，大多数决定我们宇宙历史的重要事件已经发生了。
　　图片来源：E.西格尔；欧空局/普朗克和DOE/NASA/NSF跨机构CMB研究工作组
　　在膨胀期间发生的量子涨落在整个宇宙中延伸，当膨胀结束时，它们变成了密度涨落。随着时间的推移，这导致了今天宇宙中的大尺度结构，以及在CMB中观测到的温度波动。这就是现实的量子性质如何影响整个大尺度宇宙的一个引人注目的例子。
　　1.能量膨胀时代：在炽热的大爆炸之前，宇宙并没有充满物质、反物质、暗物质或辐射。它没有填充任何类型的粒子。相反，它充满了空间本身固有的一种能量形式：一种导致宇宙以指数方式极度快速和无情地膨胀的能量形式。
　　它将宇宙从它曾经拥有的任何几何结构延伸到一种无法与空间平面区分的状态。它将宇宙中一个小的、因果关联的区域扩展到一个比我们目前可见的宇宙大得多的区域：比当前的因果视界还要大。它带走了可能存在的任何粒子，并使宇宙膨胀得如此之快，以至于没有一个粒子留在我们可见宇宙大小的区域内。
　　而在膨胀期间发生的量子涨落创造了结构的种子，从而形成了我们今天庞大的宇宙网络。
　　然后，大约138亿年前，通胀突然结束。所有这些能量，曾经是空间本身固有的，都转化为粒子、反粒子和辐射。随着这一转变，通胀时代结束，大爆炸开始了。
　　图片来源：布鲁克海文国家实验室
　　在非常年轻的宇宙中达到的高温下，不仅可以在获得足够能量的情况下自发产生粒子和光子，而且还可以产生反粒子和不稳定粒子，从而形成原始粒子和反粒子汤。然而，即使在这些条件下，也只能出现一些特定的状态或粒子。
　　2.原始汤时代：一旦膨胀的宇宙充满了物质、反物质和辐射，它就会冷却。每当粒子碰撞时，它们会产生物理定律允许的任何粒子-反粒子对。主要限制仅来自所涉及碰撞的能量，因为产生由E=mc2控制。
　　随着宇宙冷却，能量下降，越来越难产生更大质量的粒子-反粒子对，但湮灭和其他粒子反应仍有增无减。大爆炸后1到3秒，反物质全部消失，只留下物质。大爆炸后三到四分钟，可以形成稳定的氘，轻元素发生核合成。在一些放射性衰变和一些最终的核反应之后，我们只剩下一个热的（但冷却的）电离等离子体，由光子、中微子、原子核和电子组成。
　　图片来源：E.西格尔
　　在早期（左），光子从电子中散射出去，其能量足以使任何原子回到电离状态。一旦宇宙足够冷却，并且没有这样的高能光子（右），它们就不能与中性原子相互作用，而只是自由流动，因为它们的波长错误，无法将这些原子激发到更高的能级。
　　3.等离子时代：一旦这些轻原子核形成，它们就是宇宙中唯一带正电荷的物体，它们无处不在。当然，它们被等量的电子形式的负电荷所平衡。原子核和电子形成原子，因此这两种粒子很自然地会立即找到彼此，形成原子并为恒星铺平道路。
　　不幸的是，它们的数量远远超过光子的10亿比1。每当一个电子和一个原子核结合在一起时，一个足够高能量的光子就会出现并将它们炸开。直到宇宙急剧冷却，从几十亿度到几千度，中性原子才能最终形成（即便如此，这也只是因为一种特殊的原子跃迁才有可能实现的）。
　　在等离子体时代初期，宇宙的能量含量主要由辐射决定。到最后，它被正常物质和暗物质所控制，直到第三个阶段是大爆炸后的380000年。
　　图片来源：加州理工学院S.G.Djorgovski等人，在加州理工学院数字媒体中心的帮助下制作
　　宇宙历史示意图；突出显示再电离，在恒星或星系形成之前，宇宙中充满了遮光的中性原子。而宇宙的大部分直到5.5亿年后才开始再电离，有些区域更早实现完全再电离，而另一些区域更晚实现完全再电离。第一次主要的再电离波发生在大约2.5亿年的年龄，而少数幸运的恒星可能在大爆炸后仅5-1亿年形成。如今，有了最好的工具，比如詹姆斯·韦伯太空望远镜，我们将可以开始揭示最早的星系。
　　4.黑暗时代：最后，充满中性原子的引力可以开始宇宙结构的形成过程。但是有了这些中性原子，我们现在所知道的可见光在整个天空都是看不见的。因为中性原子，特别是宇宙尘埃的形式，在阻挡可见光方面表现突出。
　　为了结束这些黑暗时代，星系间介质需要重新电离。这需要大量的恒星形成和大量的紫外线光子，这需要时间、引力和宇宙网的开始。第一个主要的再电离区域发生在大爆炸后2亿到2.5亿年，但平均来说，直到宇宙有5.5亿年的历史，再电离才完成。在这一点上，恒星形成率仍在增加，第一批大质量星系团才刚刚开始形成。
　　图片来源：NASA、ESA、A.Koekemoer（STScI）、M.Jauzac、C.Steinhardt
　　这里显示的阿贝尔370星系团是哈勃前沿场计划拍摄的六个大质量星系团之一。由于其他大型天文台也被用于拍摄这一地区的天空，数千个超远距离星系被发现。哈勃的布法罗（BUFFALO）（超越超深前沿领域和传统观测）计划将通过一个新的科学目标再次观测这些星系，从而获得到这些星系的距离，使我们能够更好地了解星系是如何在我们的宇宙中形成、演化和成长的。当与团内光测量相结合时，我们可以通过同一结构的多条证据线对内部暗物质有更深入的了解。
　　5.恒星时代：一旦黑暗时代结束，宇宙对星光就变得透明了。现在可以进入宇宙的大凹处，恒星、星团、星系、星系团和巨大的、不断增长的宇宙网都在等待被发现。在能量方面，宇宙被暗物质和正常物质所控制，引力约束的结构继续变得越来越大。
　　恒星形成率不断上升，在大爆炸后约30亿年达到顶峰。在这一点上，新的星系继续形成，现有的星系继续增长和合并，星系团吸引越来越多的物质进入其中。但星系内的自由气体量开始下降，因为大量恒星的形成已经消耗掉了大量的自由气体，恒星形成速度缓慢但稳定地下降。
　　随着时间的推移，恒星的死亡率将超过出生率，这一事实因以下惊奇而变得更糟：随着宇宙膨胀，物质密度下降，一种新的能量形式——暗能量 ——开始出现并占据主导地位。大爆炸发生大约78亿年后，遥远的星系在彼此衰退时停止减速，并开始再次加速。加速的宇宙正在向我们逼近。稍晚一点，宇宙大爆炸92亿年后，暗能量成为宇宙能量的主要组成部分。至此，我们进入了最后一个时代。
　　图片来源：美国宇航局和欧空局
　　宇宙中不同的可能命运，右边是我们实际的加速命运。经过足够长的时间后，当所有其他结构不可逆转地加速离开时，加速度将使所有束缚的银河系或超银河系结构在宇宙中完全孤立。我们只能通过回顾过去来推断暗能量的存在和性质，这至少需要一个常数，但它对未来的影响更大。
　　6.暗能量时代：一旦暗能量接管，奇怪的事情就会发生：宇宙中的大规模结构停止增长。在暗能量接管之前被引力束缚在一起的物体将继续被束缚，但那些在暗能量时代开始时还没有被束缚的物体将永远不会被束缚。相反，他们只是加速彼此远离，在巨大的虚无中引领孤独的存在。
　　单个束缚结构，如星系和星系团/星系团，最终将合并形成一个巨大的椭圆星系。现有的恒星将消亡；新恒星的形成将减慢到涓涓细流，然后停止；引力相互作用将把大多数恒星喷射到星系间的深渊中。由于引力辐射的衰变，行星将螺旋状地进入其母星或恒星遗迹。即使是寿命超长的黑洞，最终也会因霍金辐射而衰变。
　　图片来源：杰夫·布莱恩特/维斯塔普罗
　　在太阳变成黑矮星后，如果没有任何东西喷射或与地球的残余物碰撞，最终引力辐射将导致我们螺旋状地进入，被撕裂，最终被我们的太阳残余物吞没。
　　最终，在这个不断膨胀的空旷宇宙中，只有黑矮星和太小而无法点燃核聚变的孤立质量将继续存在，人口稀少，彼此分离。这些最终状态的尸体甚至会在未来几年中继续存在，因为暗能量仍然是我们宇宙中的主导因素。只要稳定的原子核和空间结构本身不经历某种不可预见的衰变，只要暗能量的行为与它看起来的宇宙常数相同，这种命运是不可避免的。
　　图片来源：网络素材库
　　黑暗能量统治的最后一个时代已经开始： 60亿年前，暗能量对宇宙的膨胀变得非常重要，在太阳和太阳系诞生前后，暗能量开始主宰宇宙的能量含量。宇宙可能有六个独特的阶段，但就整个地球历史而言，我们已经进入了最后一个阶段。我们应该好好看看我们周围的宇宙，因为它再也不会像现在这样富有，或者像现在这样容易获得。
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