宇宙简史|生物学家也要了解的物理
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“盘古开天辟地”
天地混沌如鸡子
盘古生其中
万八千岁、天地开辟
阳清为天、阴浊为地
盘古在其中
一日九变
神于天、圣于地
▼
◤围绕北落师门的圆盘状宇宙尘埃云
注释：“盘古开天辟地”引自三国时代徐整《三五历记》。
关于宇宙的起源与演化
古代先哲们
早已对此深深思索
▼
◤19世纪法国木刻插图
而近代先哲
从提出假设
到创立理论
▼
◤宇宙大爆炸理论
进而观测星宿
全新定义了宇宙
▼
◤平行宇宙想象图
万物皆空、独有奇点
万物之初
没有宇宙
没有时间
没有空间
▼
只存在一个神奇的点
奇点(singularity)
异常高温
异常高压
密度奇大
在造物主眼里
它或许就是一颗“炮竹”
▼
◤类星体3C-273宿主星系的可见光照片
一、第一秒钟
0秒
（距今137.99±0.21亿年）
宇宙大爆炸
调皮的造物主
引燃了这颗“炮竹”
发生了宇宙大爆炸
▼
注释：本文按照宇宙演化的时间先后顺序阐述。
时间开始产生
空间开始膨胀
密度和温度随之下降
于是产生了宇宙
▼
◤宇宙大爆炸模式@NASA
注释：现在的宇宙的温度大约为3K（既零下270摄氏度），下文为了便于理解，把开尔文温度（K）,直接换成摄氏温度（度）。
10-46-10-36秒
大一统时期
宇宙处于无穷小时期
宇宙温度冷却至1032度
(10后面32个0)
重力开始分离出来
支撑宇宙运作
▼
◤宇宙重力模式图
10-36-10-32秒
宇宙暴胀
一瞬间
宇宙
从原子的大小
暴胀
至柚子的大小
同时产生引力波和密度波
▼
基本粒子
（夸克、胶子、电子）
形成炙热的电离气体
（原始汤）
▼
◤鹰星云“创生之柱”@NASA
宇宙温度冷却至1028度
光以光子游走在电离气体中
▼
◤光子模型图
10-12-10-6秒
夸克时期
电磁力开始出现
夸克粒子开始激情拥抱
暗物质（微中子）开始形成
宇宙温度降至1015度
▼
◤铅原子碰撞模式图@ALICE
10-6-1秒
强子时期
夸克-强子转换发生
形成复合粒子强子和重子
重子由三个夸克组成
常见的重子是质子和中子
宇宙温度降至109度
相当于太阳核心温度的70倍
▼
◤重子模型
注释：太阳核心温度为15000000度。
二、光子时期
10秒
光子时期开始
宇宙由辐射的光子主导
普通的粒子与光子藕合
电子和正电子相关湮灭
暗物质粒子构建暗物质晕
电子和质子阻碍光子的发射
宇宙变成超级炙热的烟雾
▼
◤珊瑚星云@NASA
3分钟
核聚变
质子和中子形成最初的原子核
开始爆发核聚变
生成锂、氘和氦元素
▼
注释：1948年，美籍俄裔物理学家伽莫夫与其学生阿尔菲首次提出早期宇宙发生核反应的猜想。
20分钟
核聚变暂停
开始形成最初的物质
包含75%的氢和25%的氦
自由电子开始散射光
▼
◤天鹅星云大型氢气泡
7万年
物质主导宇宙
由氢和氦组成的分子云
开始引起重力坍缩
▼
◤蔷薇星云含8%氦气
注释：在恒星形成过程中，当分子云的热压力不足以抵抗引力时，会在引力的作用下发生塌缩，这一现象称为金斯不稳定性。
三、黑暗时期
37万年
混沌初开
宇宙经历37万年的冷却
温度下降至3000度
宇宙充满分子云
像浓雾一样
黑暗时期开始
光子无法穿透
不断被散射
释放成为宇宙微波背景
▼
1000万年
宇宙开始生成重元素
奠定复杂物质组成的元素基础
▼
2-3亿年
恒星初生
宇宙终于闪现一丝亮光
第一颗恒星产生
后续恒星开始闪耀登场
这些恒星缺乏金属元素
▼
生命周期相当短暂
犹如暗夜中的烟花
随着电离作用加剧
光子被质子和电子散射
宇宙再度变得不透明
▼
注释：HD 140283是一颗位于天秤座的贫金属次巨星（星族III），距离地球约190.1光年。最近的研究显示该恒星相当古老，并且形成于大爆炸之后不久（普朗克卫星观测资料测定宇宙年龄为137.98 ± 0.37亿年），是目前已知的宇宙中最古老的恒星。该恒星因此有了别称“玛土撒拉星”（Methuselah star）。
3亿年
第一个大尺度的天体
原星系和类星体开始形成
随着早期恒星的“燃烧”
产生了碳、氧、硅、铁等元素
▼
注释：（1）原星系是指正在形成星系的气体云。（2）类星体又称为似星体或类星射电源，是一类离地球最远、能量最高的活动星系核。类星体与脉冲星、微波背景辐射和星际有机分子一度被称为20世纪60年代天文学“四大发现”。
4.2亿年
类星体MACS0647-JD形成
这是目前距离地球最远星系
距离地球约133亿光年
▼
注释：类星体MACS0647-JD人类迄今观测到的离地球最遥远星系的可能候选者，它的宽度大约只有600光年，为银河系的1/250。
四、宇宙复兴
6亿年
可见光开始主导宇宙
黑暗时期结束
银河系初具规模
▼
银河系图
注释：依据欧洲南天天文台研究报告，使用巨型望远镜的紫外线视觉矩阵光谱仪进行的研究，首度在球状星团NGC 6397的两颗恒星内发现铍元素，进而估计银河系年龄约为136亿岁（1.36×1010年），几乎与宇宙一样老。
同一时刻
银河系最古老的恒星诞生
▼
◤HE 1523-0901想象图
注释：HE 1523-0901是一颗位于天秤座的红巨星，它在银河系内，距离地球大约7500光年。它被认为是一颗第二星族星（或贫金属星）。它的质量为太阳的0.8倍。通过欧洲南方天文台的甚大望远镜测量出为132亿年，而宇宙年龄大约为137亿年。这颗恒星也是人们首次透过量度元素铀、钍等衰变，而推算其年龄。
6.3亿年
早期宇宙演化出星族III
在其形成几百万年后
其核心坍塌收缩成黑洞
黑洞有时候喷射两束亮光
生成最古老的伽玛射线暴
▼
◤GRB 090423想象图
横穿宇宙131亿年后
被美国雨燕卫星观测到
▼
◤雨燕卫星想象图
注释：GRB 090423是一个伽玛射线暴，在2009年4月23日世界标准时07:55:19，美国的雨燕卫星探测到了一次遥远的伽玛射线暴发，这次事件距离地球131亿光年，发生在宇宙大爆炸之后约6.3亿年的宇宙的诞生初期，证实巨型恒星的诞生（和死亡）在非常早期的宇宙确实发生过。
7.2亿年
形成球状星团
银河系中星系开始增多
▼
在万有引力的作用下
星系间开始相互吸引融合
同时产生大量的恒星
球状星团开始形成
▼
◤NGC 6723 照片-哈勃望远镜
注释：NGC 6723是一个位于人马座的球状星团。球状星团是外观呈球形，在轨道上绕着星系核心运行，很像卫星的恒星集团。球状星团因为被重力紧紧束缚，使得恒星高度的向中心集中，因此外观呈球形。
7.5亿年
生成巨大星系
一个比银河系大5倍
质量超过100倍的星系形成
▼
哈勃望远镜（下）
18亿年
银河系形成M13星团
距离太阳2.7万光年
半径不到150光年
聚集近100万颗恒星
数量众多的恒星
引起天文学家和科幻作家的兴趣
探究是否存在智慧生命的可能
▼
◤梅西尔13照片-哈勃望远镜
注释：梅西尔13（M13），也称为NGC 6205，有时就直接称为武仙座球状星团或'仙座星团，是位于武仙座，科学家在1974年朝M13星团方向发送一条无线电信息。
五、大局已定
20亿年
宇宙已形成上千万个星系
奠定了现今宇宙的格架
▼
注释：哈勃超深空域合成图，是哈勃望远镜多台相机于2003-2012年拍摄的大量图像合成而得，共包含1万个星系，此图像显示的空间范围极小，相当于从20米开外看一张邮票，空间太大、人类太小。
30亿年
宇宙大爆炸的证据
宇宙非常接近现今的状态
空间中漂浮着无数星系
星系中充满着星系云
部分光线被星系云吸收
激发星系云的中CO分子
在宇宙中留下永久的印记
科学家估算光线被吸收时间
估算CO分子处于那种激发状态
进而估算宇宙当时的温度
比现今宇宙温度的高三倍
这是宇宙大爆炸的力证
▼
◤NGC 6357发射星云
38亿年
恒星高峰
宇宙星系频繁碰撞
生成巨量恒星
释放出所有天然元素
▼
注释：超大质量的恒星会在10亿年内消亡，消亡时刻向宇宙空间抛射大量富含各种元素的气体。
50亿年
星系盘
宇宙星系融合碰撞
形成一个半径20万光年
质量约1万亿倍太阳质量
形成向内收缩的圆盘状天体
外围是星系的旋臂结构
▼
◤梅西耶74星系旋臂结构影像
旋臂结构影像
注释：几乎在同一时刻，银河系和其他星系都经历相似的演化过程，形成星系盘。
62亿年
肉眼可见的爆发
宇宙每天有100万颗恒星
坍陷收缩、喷射出强光
每天喷射出1000束强光
其中仅有1束强光抵达地球
天文学家每天可观察到1-2束
其中一颗巨大恒星核心坍陷
喷射出一道强光射向地球
▼
◤GRB 080319B想象图
历经75亿年抵达地球
人们用肉眼亦可观察到
这次射线暴也是人类有史以来
观测到宇宙最明亮天体的纪录
▼
◤GRB 080319B影像
注释：GRB 080319B是一个曾于牧夫座发生的伽玛射线暴，于2008年3月19日（06:12 UTC）为雨燕卫星所侦测到。它值得注意的地方，在于刷新了人类肉眼可见最远天体的纪录，其视星等最亮达5.8等，肉眼理论可见时间维持了约半分钟。
86亿年
星系碰撞
两个相邻的星系
由于引力场的作用
相关吸引融合在一起
发生星系碰撞
生成巨量恒星
形成仙女座大星云
▼
90亿年
神秘的暗能量
随着宇宙能量的消耗
宇宙暴胀速度放缓
神秘的暗能量大展拳脚
成为当时宇宙的主要构成
诱发宇宙膨胀再次加速
▼
◤仙女座星系
◤黑洞扭曲时空合成图@Daily Overvie
92.3亿年
太阳系诞生
银河系中心2.7万光年处
某个星际云在这里漂浮着
突然受到超新星爆炸的影响
这个星际云向内部坍陷
形成一个原始球状体
进一步收缩成原恒星
核心温度升高至发生核聚变
原始太阳诞生了
▼
星际云外围的尘埃颗粒
由于引力场的作用
开始形成八大行星和卫星
▼
92.5亿年
小行星带
由于巨行星木星的影响
火星和木星之间
原始星尘碰撞剧烈
未能形成新的行星
形成小行星带
▼
◤司琴星影像@Rosetta
注释：司琴星（Lutetia）为小行星21 ，是一颗大型的主带小行星，有着不寻常的光谱类型，测量得到的直径大约是100公里（长轴为130公里）。罗塞塔号曾在2010年7月飞掠过这颗小行星，所以它曾是太空船近距离观察过最大的小行星，直到黎明号接近灶神星之前。而它的名字Lutetia源自拉丁文，即为现在的法国首都巴黎的古地名。
92.9亿年
“新月初生”
一颗火星大小的行星
撞击地球、形成月球
▼
◤月球形成模式图
◤96万公里俯瞰地球与月球合成图
93亿年
土星环
▼
受引力场的作用
一颗向土星移动的卫星解体
卫星中的冰块碎裂成无数块
围绕土星形成土星环
▼
94亿年
奥尔特云
太阳系外围的小天体
在巨行星和附近恒星的吸引下
▼
散布在5个天文单位外
形成奥尔特云
▼
◤螺旋星云影像
注释：天文单位（Astronomical Unit），是一个长度的单位，指的是太阳到地球的平均距离。奥尔特云是一个彗星库，拥有超过1万亿颗彗星。
98亿年
行星大轰炸
太阳系四颗巨行星形成后
（木星/土星/天王星/海王星）
由于引力的作用发生迁移
木星向内侧小幅度迁移
土星/天王星/海王星
向外侧大幅度迁移
太阳系外围的部分小天体
进入到太阳系内侧
剧烈撞击类地行星及月球
（水星/金星/地球/火星）
留下了巨大的陨石坑
▼
◤水星表面陨石坑影像图
◤水星北极陨石坑影像图
◤火星影像@NASA
◤月球影像@NASA
◤ 月球地势图-可见众多陨石坑
99亿年
海卫一
海王星形成后
向太阳系外围运移
途中捕获一颗矮行星
称为海王星的卫星
史称“海卫一”
▼
◤ 海卫一（左）、海王星（右）
太阳（右上）
注释：海卫一是环绕海王星运行的卫星中最大的一颗，它也是太阳系中最冷的天体之一，具有复杂的地质历史和一个相对来说比较年轻的表面。1846年10月10日威廉·拉塞尔（William Lassell）发现了海卫一（这是海王星被发现后第17天）。拉塞尔以为他还发现了海王星的一个环。
100亿年
奥林帕斯山
火星开始爆发火山溢流
持续超过30亿年
形成最高的山脉
奥林帕斯山
海拔超过21000米
当属太阳系第一高峰
距今1.4亿年前再次喷发
▼
◤奧林帕斯山
注释：奥林帕斯山（Olympus Mons）是火星上的盾狀火山，亦为太阳系中已知最高的山，高于火星基准面21229米。地面望远镜中的奧林帕斯山是一明亮的亮点，被19世纪后期天文学家命名为奧林帕斯山之雪（Nix Olympica）。
115亿年
宇宙深处形成一个星系团
质量约为几千亿倍太阳质量
分布着众多暗物质（蓝色区域）
将其背后的星系扭曲成拱形
▼
◤Abell 1689影像
注释：阿贝尔1689是位于室女座的一个星系团，它是已知最大的星系团之一，并且有着重力透镜的效应，扭曲了在它背后星系的影像。它与地球的距离大约是22亿光年。
133亿年
北斗七星
银河系距银心2.7万光年处
众多恒星快速生成
留下一串彼此吸引的疏散星团
▼
5亿年后
这些恒星距地球不到100光年
在天空勾勒出引人注目的星座
“北斗七星”
▼
135亿年
双黑洞
宇宙中两大星系碰撞融合
生成的引力控制了两个黑洞
两个黑洞开始跳起“双人舞”
相互围绕呈螺旋状运动
同时产生大量引力波
▼
注释：阿贝尔（Abell）400星系团的合成图像。粉色部分为射电辐射，是两个黑洞相互纠缠生成的辐射；蓝色部分为高温气团的X射线。
136亿年
小行星撞击
小行星带
（位于火星和木星之间）
两颗较大个体相互碰撞
形成巴普提斯蒂娜族行星
▼
注释：在2007年9月，美国科罗拉多州美国西南研究院的研究人员通过电脑模拟计算结果，小行星298可能是一颗在1亿6千万年前因与较小天体碰撞而被摧毁的母小行星(直径170km)的最大残骸，此次事件也造成了巴普提斯蒂娜族(Baptistina family)的行星诞生。这次事件所产生的碎片之一也被暗示说最终撞击了地球，而导致了在6千5百万年前灭掉恐龙的白垩纪-第三纪灭绝事件。
137亿年
第谷环形山
碰撞形成的碎片之一
在1.09亿年前
撞击月球
▼
形成第谷环形山
（直径85公里）
▼
在6500万年前
另一碎片撞击墨西哥湾
形成希克苏鲁伯陨石坑
（直径180公里）
造成地球恐龙的灭绝
▼
138亿年
数个超新星连续爆炸
在星际云中生成超级气泡
气泡中粒子被加速
其中一些粒子抵达地球
▼
注释：NGC 602 是水蛇座（小麦哲伦星云）的一个弥散星云，那里存在能加速粒子的激波。
1000万年前
哈雷彗星
一个小型冰封天体
在海王星外围轨道运转
受内侧巨行星的影响
被拉入一个倾斜的轨道
▼
变成彗星接近地球
是为“哈雷彗星”
▼
注释：哈雷彗星（1P/Halley）是著名的短周期彗星，每隔75-76年就能从地球上看见，英国天文学家爱德蒙·哈雷最先使用开普勒第三定律估算出他的周期，遂命名为“哈雷彗星”，其下一次回归将在2061年。
700万年前
黑洞吞噬恒星
双星系统中
一颗较大的恒星坍缩成黑洞
黑洞开始捕获伴星的物质
形成一个X射线源
命名为“天鹅座 X-1”
▼
16.8万年前
激波
大麦哲伦星系中一颗恒星
（Sanduleak-69°202）
内核坍缩形成致密中子核心
中子核膨胀产生巨大激波
横扫光环内的所有物质
1987年2月24日抵达地球
▼
◤SN 1987A
注释：SN 1987A是1987年2月24日在大麦哲伦云内发现的一次超新星爆发，肉眼可见，位于蜘蛛星云的外围，距离地球大约16.8万光年。由于是在1987年发现的第一颗超新星，因此被命名为“1987A”。这是现代的天文学家在近距离观测到一颗超新星的第一次机会。
8000年前
超新星爆炸
是人类历史记录中
最明亮的超新星爆炸事件
地球上人们普遍观测到
公元1006年5月1日
抵达地球
▼
注释：根据《宋史》卷56和卷461记载，这颗恒星在1006年5月1日出现在氐宿西侧（豺狼座西侧，即半人马座东边1度）的地方。爆炸时的视大小超过弦月，亮到在晚上可以照射出物体的影子。在埃及、伊拉克、日本、瑞士都有这颗“客星”的观测纪录，甚至北美洲可能也有。
7500年前
银河系船底座
▼
内核产生巨大的压力
释放出强烈的光线
预计在1万年后
它将爆炸成为一颗极超新星
▼
注释：海山二（Eta Carinae）是位于船底座的一个恒星系统（赤经10 h 45.1 m、赤纬−59°41m），距离太阳大约7,500至8,000光年，在北纬27°以北的地区难以看见，而在南纬30°是一颗拱极星。这个系统至少有两颗恒星，其中一颗是位于恒星生命早期阶段，质量大约是太阳150倍的高光度蓝变星（LBV）。
4500年前
蟹状星云
恒星进入演化末期
内核坍缩引发强烈爆炸
冲击周边整个星幔
产生一种丝状结构
人们于19世纪观测到
命名为“蟹状星云”
▼
注释：天关客星（SN 1054），是1054年金牛座内爆发的一颗超新星，古代中国和阿拉伯的天文学家在史书中对这颗星留下了详细的记录。因该星星突然出现在天关星（金牛座）附近，故名天关客星。
公元1990年
人类发射哈勃太空望远镜
距离地面约600公里的服役
其2.4米的主镜观测深空
▼
公元1995年
首次发现系外行星
▼
公元2015年
两个巨型黑洞
在遥远的宇宙合并
（13亿光年之外）
产生强烈的引力波
被科学家首次探测到
证实了爱因斯坦提出
广义相对论关于黑洞的预言
▼
注释：GW150914是由激光干涉引力波天文台（LIGO）于2015年9月14日探测到的引力波现象，是人类首次直接探测到的引力波。相关探测结果由LIGO、处女座干涉仪（VIRGO）研究团队于2016年2月11日共同宣布。这束产生于双黑洞的引力波信号与广义相对论中对双黑洞旋近、并合以及并合后的黑洞会发生衰荡（ringdown）的理论预测相符。
公元2018年1月2日
旅行者1号距离太阳
211亿公里
是距离地球最远的人造物体
▼
注释：旅行者1号（Voyager 1）是美国国家航空航天局（NASA）研制的一艘无人外太阳系太空探测器，重825.5kg，于1977年9月5日发射，截止到2018年仍然正常运作，而到2036年，连讯号传输的电力都将消耗殆尽。一旦电池耗尽，“旅行者1号”将继续向银河系中心前进，再也不会向地球发回数据。
宇宙
着实让人类觉得渺小
▼
而人类
总是心有多大
天地亦有多广
▼
我们
要做的是
念天地之悠悠
独无畏而前行
主要参考文献：
1.Wikipedia. Chronology Of The Universe.
2.雅克.保罗. 宇宙之美.
往期文章精选：
专注地球科学 探索宇宙星空
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